[논문]형광체 함유 용액 고속 토출 조건에서의 듀얼 압전 디스펜서 공이와 노즐의 마모 특성 평가

하명우; 이광희; 안준욱; 이철희

doi:10.9725/kstle.2017.33.2.52

문제 정의

현재 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐에 대한 표준이나 레퍼런스가 없는 상황이므로 미세한 액상 토출의 신뢰성확보를 위해 실제 반도체, LED 등에 토출하는 액상 그리고 고속 조건 하에서 디스펜서의 공이와 노즐의 내구 수명에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 작동 조건에서 디스펜서 공이와 노즐의 내구 수명을 평가하기 위하여 실제 제작된 젯팅 디스펜서를 이용하여 고속 토출 조건에서의 형광체 토출 실험을 진행하였으며, 해석을 통하여 마모 특성에 대한 결과를 검증하였다.
본 연구에서는 형광체 함유 용액의 고속 토출 조건에서 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐 마모 특성을 분석하였다. 실험을 통해 표면의 마모 특성, 조도, 마모량을 분석하고, 해석 및 이론식을 통해 접촉 응력을 분석하였다.

가설 설정

해석 모델을 검증하기 위해 이론적으로 계산한 접촉 응력과 해석에서 나타난 접촉 응력을 비교하였다. 공이와 노즐의 경우 Fig. 1에서 확인할 수 있듯이 반지름 값을 가지는 실린더와 노즐 평면이 접촉하는 조건으로 가정할 수 있다. 공이의 경우 구 형상이지만 노즐과의 미소 접촉면을 고려하면 실린더-평면 접촉으로 가정할 수 있다.
1에서 확인할 수 있듯이 반지름 값을 가지는 실린더와 노즐 평면이 접촉하는 조건으로 가정할 수 있다. 공이의 경우 구 형상이지만 노즐과의 미소 접촉면을 고려하면 실린더-평면 접촉으로 가정할 수 있다. 실린더-평면 접촉 조건은 선 접촉에 해당하므로 헤르츠(Hertz) 접촉 이론을 적용하여 최대 접촉 압력을 계산하였다.
초기 토출 조건에서 ±5% 이상 무게 편차를 보일 경우 토출 신뢰성을 확보하지 못하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

1. 디스펜서에 사용된 공이와 노즐의 마모 특성 분석을 위해 1,000k 사이클 단위로 10,000k 사이클까지 토출 실험을 진행하였고, 토출 액상 무게를 측정하여 토출 신뢰성을 확인하였다.
3. 공이와 노즐 접촉 시 발생하는 접촉응력을 이론 식을 통해 계산하였고, 해석을 통해 값을 검증하였다. 하지만 이론과 해석 모델에서 용액에 포함된 나이트라이드 형광체 입자를 반영하지는 못하였다.
5. Surface roughness variation of the rod and nozzle for each experiment.
젯팅 디스펜서의 공이와 노즐의 내구 수명을 평가하기 위하여 형광체 함유 용액 고속 토출 조건에서의 공이와 노즐의 내구 실험을 수행하였다. 각 실험은 1,000k 사이클 단위로 나누어 10,000k 사이클까지 실험하였으며, 각 실행에서 토출된 용액의 무게와 유량 값은 실험장비 내의 정밀저울과 유량계로 측정하여 데이터 값을 얻었다. 토출 용액의 무게의 균일도를 통해 장비의 신뢰성을 판단하였다.
공이 및 노즐의 재질은 초경합금(WC-Co)이다. 공이가 노즐을 한번 접촉하는 조건을 한 사이클로 정의하였으며 100만 사이클 단위로 1,000만 사이클까지 실험을 진행하였다. 마모가 토출 정밀도에 미치는 영향을 분석하고 내구 수명을 예측하기 위하여 실험 전후 공이 및 노즐 표면을 광학현미경과 표면조도 측정기를 통해 통해 분석하였고, 무게 측정을 통해 마모량을 분석하였다.
5는 실험 전, 후의 공이와 노즐 접촉부의 표면조도를 측정한 결과이다. 공이와 노즐의 표면조도는 표면조도측정기(Mitutoyo SV-3000)를 사용하여 접촉면을 기준으로 측정하였으며 Ra값을 측정하였다. 표면조도 또한 무게가 감소하는 것과 같이 점차적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
토출 과정에서 공이와 노즐이 접촉되고 이로 인해 마모가 발생한 것으로 예상된다. 따라서 마모에 의한 토출량 변화를 확인하기 위해 공이와 노즐의 무게를 측정하였다. 작동 사이클이 증가함에 따라 공이와 노즐의 무게가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
젯팅 디스펜서의 작동 변수를 고려한 실험을 설계하여 젯팅 디스펜서의 특성을 확인하였으며, 실험계획법을 사용하여 통계적 기법을 통해 공이의 눌림량, 밸브의 오픈타임, 토출량, 토출속도 등 디스펜서의 작동조건을 최적화한 연구가 수행되었다. 또한 압전 작동기와 양변위 디스펜서의 장점을 결합한 하이브리드 형태의 디스펜서를 설계하고 내부 유체 특성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다[1-3]. 실험을 통해 듀얼 압전 작동기와 변위 확대장치를 이용한 디스펜서의 토출 성능 및 신뢰성평가 진행되었다[4].
마모가 토출 정밀도에 미치는 영향을 분석하고 내구 수명을 예측하기 위하여 실험 전후 공이 및 노즐 표면을 광학현미경과 표면조도 측정기를 통해 통해 분석하였고, 무게 측정을 통해 마모량을 분석하였다. 또한 토출 정밀도를 확인하기 위하여 토출된 액상의 무게를 실시간으로 측정하였다. 초기 토출 조건에서 ±5% 이상 무게 편차를 보일 경우 토출 신뢰성을 확보하지 못하는 것으로 가정하였다.
토출 용액의 무게의 균일도를 통해 장비의 신뢰성을 판단하였다. 또한, 공이와 노즐의 실험 전, 후 표면 조도와 무게를 측정하였고 육안확인을 위해 각 실행에서 공이와 노즐의 변화를 광학현미경을 통해 촬영하였다.
또한, 본 연구에서 고려된 젯팅 디스펜서는 각 실험마다 눌림량을 설정한 값에 맞게 맞추고 유량을 자동 교정하는 기능인 오토 캘리브레이션(Auto calibration) 기능을 사용하여 눌림량을 항상 같은 값을 유지하도록 보정하였다. 공이 및 노즐의 재질은 초경합금(WC-Co)이다.
공이가 노즐을 한번 접촉하는 조건을 한 사이클로 정의하였으며 100만 사이클 단위로 1,000만 사이클까지 실험을 진행하였다. 마모가 토출 정밀도에 미치는 영향을 분석하고 내구 수명을 예측하기 위하여 실험 전후 공이 및 노즐 표면을 광학현미경과 표면조도 측정기를 통해 통해 분석하였고, 무게 측정을 통해 마모량을 분석하였다. 또한 토출 정밀도를 확인하기 위하여 토출된 액상의 무게를 실시간으로 측정하였다.
실험 결과를 통해 마모가 발생한 부분과 원인을 분석하기 위해 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐의 접촉 해석을 수행하였다. 실제 작동 조건을 고려하여 유연체 모델 기반의 다물체 동역학 모델링을 진행하였고 접촉 정의를 통해 해석을 수행하였다. 공이와 노즐의 재질은 WC-Co이며 물성치는 Table 2에서 확인할 수 있다.
실험 결과를 통해 마모가 발생한 부분과 원인을 분석하기 위해 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐의 접촉 해석을 수행하였다. 실제 작동 조건을 고려하여 유연체 모델 기반의 다물체 동역학 모델링을 진행하였고 접촉 정의를 통해 해석을 수행하였다.
젯팅 디스펜서 공이와 노즐의 내구 평가를 위하여 내구 실험을 수행하였다. 실험은 실제 제작된 듀얼 압전작동기를 사용하는 젯팅 디스펜서(ZEUS-Mini, PROTEC)를 사용하여 액상을 토출하는 방식으로 수행하였으며, 토출에 영향을 미치는 각종 파라미터는 컨트롤러를 통해 제어하였다. 실험 횟수와 시간의 단축을 위해 토출되는 액상(실리콘)은 나이트라이드와 세라믹 필러를 무게비 1:1 비율로 혼합하였고, 이는 실제 산업현장에서 토출 시 사용되는 액상 조건인 무게비 1:0.
또한 압전 작동기와 양변위 디스펜서의 장점을 결합한 하이브리드 형태의 디스펜서를 설계하고 내부 유체 특성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다[1-3]. 실험을 통해 듀얼 압전 작동기와 변위 확대장치를 이용한 디스펜서의 토출 성능 및 신뢰성평가 진행되었다[4]. 선행된 젯팅 디스펜서의 연구에서는 새로운 방식의 젯팅 디스펜서의 설계, 특성평가, 다양한 인자를 고려한 통계적 요법, 유체 모델 등을 다루었지만 실제 토출되는 유체에 함유되어 있는 형광체로 인한 공이와 노즐의 마모를 다룬 연구는 이루어지지 않고 있다.
본 연구에서는 형광체 함유 용액의 고속 토출 조건에서 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐 마모 특성을 분석하였다. 실험을 통해 표면의 마모 특성, 조도, 마모량을 분석하고, 해석 및 이론식을 통해 접촉 응력을 분석하였다.
젯팅 디스펜서 공이와 노즐의 내구 평가를 위하여 내구 실험을 수행하였다. 실험은 실제 제작된 듀얼 압전작동기를 사용하는 젯팅 디스펜서(ZEUS-Mini, PROTEC)를 사용하여 액상을 토출하는 방식으로 수행하였으며, 토출에 영향을 미치는 각종 파라미터는 컨트롤러를 통해 제어하였다.
젯팅 디스펜서의 공이와 노즐의 내구 수명을 평가하기 위하여 형광체 함유 용액 고속 토출 조건에서의 공이와 노즐의 내구 실험을 수행하였다. 각 실험은 1,000k 사이클 단위로 나누어 10,000k 사이클까지 실험하였으며, 각 실행에서 토출된 용액의 무게와 유량 값은 실험장비 내의 정밀저울과 유량계로 측정하여 데이터 값을 얻었다.
각 실험은 1,000k 사이클 단위로 나누어 10,000k 사이클까지 실험하였으며, 각 실행에서 토출된 용액의 무게와 유량 값은 실험장비 내의 정밀저울과 유량계로 측정하여 데이터 값을 얻었다. 토출 용액의 무게의 균일도를 통해 장비의 신뢰성을 판단하였다. 또한, 공이와 노즐의 실험 전, 후 표면 조도와 무게를 측정하였고 육안확인을 위해 각 실행에서 공이와 노즐의 변화를 광학현미경을 통해 촬영하였다.
해석 모델을 검증하기 위해 이론적으로 계산한 접촉 응력과 해석에서 나타난 접촉 응력을 비교하였다. 공이와 노즐의 경우 Fig.

대상 데이터

또한, 본 연구에서 고려된 젯팅 디스펜서는 각 실험마다 눌림량을 설정한 값에 맞게 맞추고 유량을 자동 교정하는 기능인 오토 캘리브레이션(Auto calibration) 기능을 사용하여 눌림량을 항상 같은 값을 유지하도록 보정하였다. 공이 및 노즐의 재질은 초경합금(WC-Co)이다. 공이가 노즐을 한번 접촉하는 조건을 한 사이클로 정의하였으며 100만 사이클 단위로 1,000만 사이클까지 실험을 진행하였다.
실험은 실제 제작된 듀얼 압전작동기를 사용하는 젯팅 디스펜서(ZEUS-Mini, PROTEC)를 사용하여 액상을 토출하는 방식으로 수행하였으며, 토출에 영향을 미치는 각종 파라미터는 컨트롤러를 통해 제어하였다. 실험 횟수와 시간의 단축을 위해 토출되는 액상(실리콘)은 나이트라이드와 세라믹 필러를 무게비 1:1 비율로 혼합하였고, 이는 실제 산업현장에서 토출 시 사용되는 액상 조건인 무게비 1:0.15~0.3 보다 3배 이상 가혹한 조건으로 실험한 것이다. 작동 속도 또한 가장 가혹한 조건인 300 Hz의 고속 조건을 고려하였다.

이론/모형

공이의 경우 구 형상이지만 노즐과의 미소 접촉면을 고려하면 실린더-평면 접촉으로 가정할 수 있다. 실린더-평면 접촉 조건은 선 접촉에 해당하므로 헤르츠(Hertz) 접촉 이론을 적용하여 최대 접촉 압력을 계산하였다. 공이와 노즐에 작용하는 최대 접촉 응력은 3,064 MPa이며 해석 모델에서의 최대 접촉 응력은 2,910 MPa으로 이론값과 비교하여 약 5%의 오차를 가져 해석 모델 검증이 된 것으로 확인하였다.

성능/효과

8)의 경우 공이와 마찰 접촉되는 부분에 원형으로 마모가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 10,000k 사이클까지 로드와 노즐의 마모을 분석한 결과 광학현미경을 통한 마모 흔적은 확인할 수 있지만 토출 액상에 대한 유량이 오차 범위내에서 측정되므로 토출 신뢰도에는 문제가 없는 것으로 확인하였다. 하지만 10,000k 사이클 이상의 작동 수명 이상에서는 마모가 지속적으로 진행될 것으로 예상되며 마모량에 의한 유체의 체적 변화로 인해 미세한 정밀 토출 제어가 어려울 것으로 예상된다.
2. 토출이 진행됨에 따라 공이와 노즐의 무게는 마모로 인하여 감소하는 경향을 나타내고 표면조도는 증가하는 경향을 나타낸다. 하지만 토출 오차가 ±2 mg 이내이므로 토출 신뢰성에는 문제가 없는 것으로 생각된다.
4. 이론 및 해석 결과 접촉 응력은 공이와 노즐의 항복강도에 미치지 못하지만, 실제 작동 조건의 경우 충격에 의한 접촉이 발생하므로 이론 및 해석 보다 높은 접촉 응력이 발생할 것으로 예상되며, 액상에 포함된 나이트라이드 입자에 의해 접촉압력이 상승하고 이로 인한 연삭 작용으로 인해 마모가 발생한 것으로 예상된다.
5. 실제 디스펜싱 작동 조건은 현재 실험 조건보다 완화된 조건에서 작동하므로 10,000k 사이클 이상의 작동 환경에서도 토출 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
각 실험의 토출량 차이는 가장 큰 값이 4 mg으로 10,000k 사이클까지의 실험에서 나타났으며, 이 후의 실험에서는 평균 ±2 mg으로 높은 토출 신뢰도를 보였다.
실린더-평면 접촉 조건은 선 접촉에 해당하므로 헤르츠(Hertz) 접촉 이론을 적용하여 최대 접촉 압력을 계산하였다. 공이와 노즐에 작용하는 최대 접촉 응력은 3,064 MPa이며 해석 모델에서의 최대 접촉 응력은 2,910 MPa으로 이론값과 비교하여 약 5%의 오차를 가져 해석 모델 검증이 된 것으로 확인하였다. 접촉 응력 해석 결과는 Fig.
또한 무게 감소와 같이 표면조도 또한 실험 후반으로 갈수록 상승폭이 작아지는 결과를 보였다. 표면조도 차이는 공이가 0.
표면의 마모 흔적은 액상에 포함된 입자들에 의해 나타나는 것으로 추측된다. 실험 사이클이 진행될수록 접촉면의 마모량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 노즐(Fig.
05 µm의 결과를 보였다. 젯팅 디스펜서 공이와 노즐의 내구 실험의 토출량 변화가 많이 일어나지 않은 것으로 미루어 볼 때, 10,000k 사이클까지의 공이와 노즐의 무게 감소와 표면조도 증가는 토출 신뢰성에 영향을 주지 않는다고 판단할 수 있다. 공이와 노즐의 무게 변화 및 표면조도 변화는 토출 시 발생하는 충격으로 인한 결과이며, 10,000k 사이클 이상의 실험 시 마모 누적으로 인한 토출 실패가 발생하는 경우(설정 토출량 대비 ±5% 이상의 오차가 발생하는 경우)를 예측할 수 있는 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

후속연구

공이와 노즐의 무게 변화 및 표면조도 변화는 토출 시 발생하는 충격으로 인한 결과이며, 10,000k 사이클 이상의 실험 시 마모 누적으로 인한 토출 실패가 발생하는 경우(설정 토출량 대비 ±5% 이상의 오차가 발생하는 경우)를 예측할 수 있는 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
하지만 10,000k 사이클 이상의 작동 수명 이상에서는 마모가 지속적으로 진행될 것으로 예상되며 마모량에 의한 유체의 체적 변화로 인해 미세한 정밀 토출 제어가 어려울 것으로 예상된다. 추후 실제 파손이 일어나는 조건까지 추가 실험을 진행함으로써 노즐 및 로드의 내구 수명을 예측할 수 있을 것으로 기대한다[7].
이러한 세라믹 필러는 강도가 상대적으로 강하여 공이와 노즐의 마모를 촉진시키며 마모의 누적으로 인해 액상의 토출 신뢰성에 영향을 미치게 된다. 현재 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐에 대한 표준이나 레퍼런스가 없는 상황이므로 미세한 액상 토출의 신뢰성확보를 위해 실제 반도체, LED 등에 토출하는 액상 그리고 고속 조건 하에서 디스펜서의 공이와 노즐의 내구 수명에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 작동 조건에서 디스펜서 공이와 노즐의 내구 수명을 평가하기 위하여 실제 제작된 젯팅 디스펜서를 이용하여 고속 토출 조건에서의 형광체 토출 실험을 진행하였으며, 해석을 통하여 마모 특성에 대한 결과를 검증하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹 필러의 문제점은 무엇인가?	실제 산업현장에서 토출 되고 있는 액상에는 무게 대비 약 40% 이상의 실리카(Silica, SiO2), 나이트라이드(Nitride), 야그(YAG) 등의 세라믹 필러가 함유되어 있으며 입도는 수µm 이내로 PCB나 웨이퍼 틈의 크기에 따라 침전 및 흐름이 저해 되지 않도록 크기가 정해진다. 이러한 세라믹 필러는 강도가 상대적으로 강하여 공이와 노즐의 마모를 촉진시키며 마모의 누적으로 인해 액상의 토출 신뢰성에 영향을 미치게 된다. 현재 젯팅 디스펜서의 공이와 노즐에 대한 표준이나 레퍼런스가 없는 상황이므로 미세한 액상 토출의 신뢰성확보를 위해 실제 반도체, LED 등에 토출하는 액상 그리고 고속 조건 하에서 디스펜서의 공이와 노즐의 내구 수명에 대한 연구가 필요하다.
	하나의 압전작동기만을 사용하여 변위를 생성하고 스프링을 통해 초기의 상태로 복원되는 구조의 문제점은 무엇인가?	기존 연구된 압전작동기를 사용한 젯팅 디스펜서는 하나의 압전작동기만을 사용하여 변위를 생성하고 스프링을 통해 초기의 상태로 복원되는 구조로 되어 있다. 이러한 구조의 경우 빠른 속도에서 작동할 경우 응답성 지연의 문제를 가지고 있다. 따라서 두개의 압전작동기를 사용하여 반복적인 변위를 만들어내므로 지연없이 빠른 속도로 작동하는 것이 가능하다.
	초정밀 토출이 가능한 기술이 시장에서 요구되는 이유는 무엇인가?	또한, 최근 방수폰의 등장과 사물 인터넷 보급으로 인한 스마트 홈 시스템의 발전으로 인해 디스펜싱 작업에서의 방수 실링재, LED의 형광체의 효과적인 도포를 위한 보다 높은 수준의 디스펜싱 능력이 필요해지고 있다. 여러 정밀 부품의 크기가 작아질수록 액상 토출량이 작아지고 더욱 적은 양의 토출 능력에 대한 요구와 중요도가 커지며 시장에서는 초정밀 토출이 가능한 기술을 요구하고 있다. 이에 따라 정밀한 액상 토출 능력의 구현을 위해 많은 연구가 수행되고 있다.

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