[논문]잉크젯 작동 상태 진단 및 모니터링

권계시; 김병헌; 김상일; 신승주; 김성진

잉크젯 작동 상태 진단 및 모니터링
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권계시 (순천향대학교 기계공학과) , 김병헌 (삼성종합기술원) , 김상일 (삼성종합기술원) , 신승주 (삼성종합기술원) , 김성진 (삼성종합기술원)

A self-sensing circuit for piezo inkjet has been designed in order to monitor the operating condition during printing. In order to verify the circuit, both ink droplet images from strobe LED and vibration signals from the laser vibrometer were measured and compared with self-sensing signal. Experimental results show that self-sensing signal was effective in detecting the pressure wave change due to the bubble trapped in inkjet printhead.

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문제 정의

일반적으로 PZT 에 흐르는 전류의 양은 미세하여 일반적인 전류 센서나 전류 probe 등으로 측정이 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 전류를 정확히 측정할 수 있는 전기 회로를 구현하고 이를 통해 변형량을 간접적으로 측정하여 잉크젯의 작동 상태를 진단하는 것에 목적이 있다.
본 연구에서는 피에조의 전류를 측정하여 피에조의 기계적인 변형량을 얻어 내려고 한다. 이를 이용하여 실제 잉크젯 헤드가 구동 되고 있을 때 잉크젯 헤드 내의 PZT 의 변형량으로 부터 압력파를 간접적으로 측정하고 이것을 잉크젯의 작동 상태를 평가하고 모니터링 하는 방법을 개발 하려고 한다.
본 연구에서는 피에조의 전류를 측정하여 피에조의 기계적인 변형량을 얻어 내려고 한다. 이를 이용하여 실제 잉크젯 헤드가 구동 되고 있을 때 잉크젯 헤드 내의 PZT 의 변형량으로 부터 압력파를 간접적으로 측정하고 이것을 잉크젯의 작동 상태를 평가하고 모니터링 하는 방법을 개발 하려고 한다. 본 방법은 전기적 신호 처리를 이용하므로 strobe LED 또는 진동센서를 사용할 때와 같이 해당 노즐에 대한 정밀한 기계적인 얼라인먼트(alignment)등이 필요 없이 간편하게 토출 상태 진단이 가능한 장점을 지닌다.

제안 방법

여기서 토출 신호가 인가하고 있는 신호와 시간 지연을 이용한 LED 의 조명을 통해서 액적이 떨어지는 과정을 CCD 카메라로 모니터링할 수 있게 된다. 128 개의 각각의 노즐에 각각 다른 파형의 전압이 가능할 수 있도록 각각의 노즐에 다른 드라이브를 가지고 있는 DPN (Driver per nozzle)을 사용하여 구동하였다. DPN 을사용하여 헤드 간의 잉크 액적의 속도 또는 부피 편차를 줄이는 것은 본 논문의 외의 영역이기 때문에 다루지는 않는다.
LED 의 발광시점을 잉크의 토출을 위한 입력 파형이 인가되는 신호 보다 50µsec 늦게 발광하여 잉크 토출 모양을 관찰 하였다.
DPN 을사용하여 헤드 간의 잉크 액적의 속도 또는 부피 편차를 줄이는 것은 본 논문의 외의 영역이기 때문에 다루지는 않는다. Self-sensing 으로 얻은 변형량을 검증하기 위하여 Polytec 사의 Laser vibrometer (OFV 511, PFV 3001)으로 측정한 진동신호와 동시에 비교를 하였다. 측정상의 문제로 동시에 같은 위치에서 CCD 카메라와 레이저 진동계로 잉크젯 상태를 모니터링하는 것은 현실적으로 어렵다.
한편으로는 bubble 이 존재하는 경우 압력파에 의한 변형이 어떻게 되는 알아 보기 위하여 토출을 시키면서 Air gun 을 이용하여 공기를 nozzle 속으로 삽입시켰다. 그 후에 strobe LED 를 사용하여 토출이 안되는 것을 확인하고 이 때 같은 waveform 을 입력하였을 때 압력파를 간접적으로 측정하여 Fig. 7 과 같이 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 Fig.2 의 가장 단순한 파형을 사용하고 전압의 크기만을 조정하여 실험하였다.
4 와 같은 실험 장치를 구성하였다. 실제로 토출되는 잉크 액적(droplet)을 관찰하기 위하여 CCD 카메라를 사용하였다. 여기서 토출 신호가 인가하고 있는 신호와 시간 지연을 이용한 LED 의 조명을 통해서 액적이 떨어지는 과정을 CCD 카메라로 모니터링할 수 있게 된다.
8 과 같이 FFT 분석을 통하여 보다 효과적으로 알 수 있었다. 여기서 파형의 인가되는 9usec 의 부분은 오차가 존재 할 수 있으므로 이 부분을 제외한 나머지 부분의 FFT 분석을 수행하였다. Fig.
또한 헤드내의 공기로 인해 압력파의 주파수와 진폭이 달라지게 된다. 위 두가지 현상은 같은 노즐을 그리고 여러 노즐을 사용하여 반복 실험을 통하여 확인하였다.
잉크젯 헤드의 작동 상태를 측정하기 위하여 셀프 센싱 아날로그 회로를 제작하였다. 이 셀프 센싱 회로로부터 얻은 PZT 의 변형량을 검증하기 위하여 레이저 속도계를 사용하여 얻은 진동 신호와 비교하였다. 셀프 센싱으로 통해 토출시 잉크젯 헤드내의 압력파를 간접적으로 측정이 가능하였으며 이러한 압력파를 이용하여 헤드내의 공기의 존재 여부에 대한 잉크젯 작동의 이상 여부를 진단할 수 있음을 보였다.
잉크젯 헤드의 작동 상태를 측정하기 위하여 셀프 센싱 아날로그 회로를 제작하였다. 이 셀프 센싱 회로로부터 얻은 PZT 의 변형량을 검증하기 위하여 레이저 속도계를 사용하여 얻은 진동 신호와 비교하였다.
한편으로는 bubble 이 존재하는 경우 압력파에 의한 변형이 어떻게 되는 알아 보기 위하여 토출을 시키면서 Air gun 을 이용하여 공기를 nozzle 속으로 삽입시켰다. 그 후에 strobe LED 를 사용하여 토출이 안되는 것을 확인하고 이 때 같은 waveform 을 입력하였을 때 압력파를 간접적으로 측정하여 Fig.
여기서 알 수 있듯이 전압을 키우면 액적의 속도가 빨라지고 더불어 PZT 의 변형량도 비례하여 커짐을 알 수 있다. 헤드의 내부에 이상이 없을 때 전압의 세기에 의한 토출의 여부가 셀프센싱에 어떤 영향이 있는지 알아보기 위해 Fig.5 과 Fig. 6 을 비교하였다. 전압이 낮아서 토출이 안되고 있는 30volt 의 압력파에 의한 변형량의 파형과 잉크 토출이 되고 있는 50volt 의 변형량의 형태는 비슷하고 크기만 약간 증가 됨을 알 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 유기 용제를 기본으로 한 디스플레이 제조용으로 제작된 녹색의 안료(pigment)잉크를 사용하여 실험을 하였다. 잉크는 상온에서 점성은 약 9cp 이다.
전류 측정으로부터 변형량을 측정하기 위해 사용된 잉크젯 헤드로는 dimatix 사의 SX-128 (spectra SX-128)이다. SX-128 은 128 개의 독립적인 nozzle 을 가지고 있으며 각각 독립적인 파형을 인가할 수 있다.

성능/효과

이를 이용하여 실제 잉크젯 헤드가 구동 되고 있을 때 잉크젯 헤드 내의 PZT 의 변형량으로 부터 압력파를 간접적으로 측정하고 이것을 잉크젯의 작동 상태를 평가하고 모니터링 하는 방법을 개발 하려고 한다. 본 방법은 전기적 신호 처리를 이용하므로 strobe LED 또는 진동센서를 사용할 때와 같이 해당 노즐에 대한 정밀한 기계적인 얼라인먼트(alignment)등이 필요 없이 간편하게 토출 상태 진단이 가능한 장점을 지닌다.
이 셀프 센싱 회로로부터 얻은 PZT 의 변형량을 검증하기 위하여 레이저 속도계를 사용하여 얻은 진동 신호와 비교하였다. 셀프 센싱으로 통해 토출시 잉크젯 헤드내의 압력파를 간접적으로 측정이 가능하였으며 이러한 압력파를 이용하여 헤드내의 공기의 존재 여부에 대한 잉크젯 작동의 이상 여부를 진단할 수 있음을 보였다. 헤드내의 공기가 있는 경우 관찰된 현상은 다음과 같다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

기존의 잉크 토출을 모니터링 하기 위한 방법으로 많이 사용된 것은 무엇인가?

기존의 잉크 토출을 모니터링 하기 위한 방법으로는 CCD 카메라를 이용한 스트로브 LED(strobe-LED)로 직접 토출 되는 잉크 액적(droplet)이나 메니스커스(meniscus)를 관찰 하는 방법이 많이 사용되어 왔다[2-4]. 또 다른 방법은 피에조(piezo)헤드의 각 노즐에 해당하는 부분의 헤드 외부 구조물의 진동을 측정하여 간접적으로 압력파를 측정하는 방법이다. 이 두 방법은 실제거동에 많은 정보를 준다.

잉크젯은 어떠한 방식으로 나뉘는가?

잉크젯은 크게 열을 이용한 버블젯 방식과 피에조 방식으로 나눌 수 있다. 버블젯 방식은 유기 용제를 사용한 디스플레이용 잉크에는 적합하지 않기 때문에 산업용에서는 주로 피에조 잉크젯 헤드가 사용되어 오고 있다.

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