[논문]전기수력을 이용한 미세노즐

[국내논문] 전기수력을 이용한 미세노즐
The nozzle for fine jetting using EHD(electrohydrodynamic) principle 원문보기

이설홍 (연세대학교 기계공학과) , 김영재 (연세대학교 기계공학과) , 박재홍 (연세대학교 기계공학과) , 황정호 (연세대학교 기계공학과) , 김용준 (연세대학교 기계공학과)

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또한 형상구현에 있어서 토출된 액적(droplet) 혹은 젯(jet)을 이용하기 때문에 기존 공정과 달리 유전체, SR(solder resist)등 다양한 잉크를 통한 공정대체가 가능하며 대면적화에 유리하다. 최근에 이와 관련된 많은 기술이 보고되고 있으며 본 연구에서는 MEMS 기반 미세노즐에 전기수력방식을 적용하여 각각의 노즐의 개별제어가 가능한 젯 프린팅 기술을 시도하고자 한다. 전기수력을 이용한 젯 프린팅 기술은 노즐과 접지전극 사이에 전위차를 형성시키면 노즐 팁(tip) 부분에 콘 젯(cone-jet)이 발생하게 되는데 이를 이용해 프린팅 하는 방식이다[1].

이에 본 실험에서는 MEMS 공정을 이용해 제작된 칩(chip) 형태의 미세노즐 어레이(array)에 전기수력의 원리를 적용하여 노즐크기보다 작은 미세젯을 토출 시켰으며, 각각의 노즐에 공급되는 유량을 조절하여 노즐을 개별적으로 제어할 수 있도록 하였다.
테플론은 메니스커스와 노즐 팁과의 접촉각을 증가시켜 액적이 기판옆으로 퍼지는 현상을 막고 콘을 형성시키기에 충분한 크기로 자랄 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 또한 메니스커스간 젖음(wetting)을 막기 위하여 벌크 마이크로머시닝 공정으로 실리콘 자체가 메니스커스의 크기를 일정하게 유지시켜주는 역할을 하도록 하였다. 그 위에 잉크를 공급해 주는 시린지 펌프와의 연결 및 일정량의 잉크를 저장하기 위하여 아크릴로 제작된 잉크 저장기가 부착되었다.
미세노즐 어레이는 두께 525 μm, 방향의 실리콘 웨이퍼를 기반층으로 하여 그 위에 Ti/Cu 를 이용하여 전극(electrode)을 구성하였고 반대편에는 소수성을 유지하기 위하여 테플론(DuPont 社, Teflon AF 2400)을 이용하여 표면처리를 하였다.
초기 메니스커스가 형성된 상태에서 유량의 공급을 중단한 후 No.1, No.2 그리고 No.3 노즐에 유량(5 μl/min) 공급을 조절하여 각각의 노즐에 젯 토출을 시도하였다.

미세노즐의 제작은 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정을 이용하여 제작되었으며 각각의 노즐의 크기는 360 μm x 360 μm(width x length)이다.
노즐과 접지전극은 전압 공급 장치와 연결된다. 토출과정은 초고속 카메라를 이용하여 모니터링 되었으며 젯을 토출하기 위하여 은잉크(CABOT 社, AG-IJ-G-100-S1)잉크를 사용하였다. 은잉크는 은나노입자 (크기 20nm 이하)과 에틸렌글리콜 (Ethylene glycol) 그리고 분산제로 구성되어 있다.

위와 같은 실험의 결과로 얻어진 젯의 지름은 약 32 μm 였으며 이 크기는 원래 노즐사이즈의 1/10 이하이며 현재 산업용 잉크젯 방식에서 목표로 하고 있는 10 μm 이하 배선을 노즐크기 100 μm 이상으로도 구현할 수 있음을 검증하였다.

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