[논문]잉크젯 프린팅 된 실버잉크의 뭉침 현상에 대한 해석

김명기; 신권용; 황준영; 강경태; 강희석; 이상호

잉크젯 프린팅 된 실버잉크의 뭉침 현상에 대한 해석
The analysis of bulging phenomenon for ink-jet printed silver inks 원문보기

김명기 (한국생산기술연구원) , 신권용 (한국생산기술연구원) , 황준영 (한국생산기술연구원) , 강경태 (한국생산기술연구원) , 강희석 (한국생산기술연구원) , 이상호 (한국생산기술연구원)

In this paper, we have studied the bulging phenomenon of ink-jet printed silver lines. The used silver inks are DGP-40LT-15C and DGH-55HTG of Advanced Nano Product (ANP) Company. We investigated the behavior of bulging by changing the polarity of the inks, the surface energy of substrate and droplet spacing in printing. The contact angle of the polar inks increased much more sensitively than the nonpolar ink as the surface energy of the substrate increases. In the case of the nonpolar ink, the bulging phenomenon occurred seriously as the droplet spacing decreased at the constant surface energy.

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문제 정의

<그림 2>의 (d)와 같이 라인에서의 벌지 현상이 발생하는 요인을 UV/O₃ 처리 시간에 따른 표면처리와 액적간격에 따른 잉크의 양에 대해 알아보았다. 표면에너지기 낮은 조건에서는 잉크의 접촉각이 커서 잉크 액적이 라인을 형성하지 못하므로 비교대상에서 제외하였다.
각기 다른 인쇄형태를 유발하는 라인의 특성을 이해하는 것은 잉크젯 인쇄의 적용 분야에 있어서 품질의 개선과 인쇄 조건의 최적화에 도움을 준다. 본 연구에서는 잉크젯 인쇄 시 기판의 표면처리에 따른 접촉각과 액적 간격의 변화가 라인패턴의 특성에 어떤 영향을 주는지 실험을 통해 확인하여 보았다.
본 연구에서는 잉크젯 인쇄된 라인 패턴에서 발생할 수 있는 잉크의 뭉침과 이에 따른 라인들의 뭉침 발생에 대해 알아보았다. 기판의 표면에너지 변화는 잉크 액적과의 접촉각을 변화시켜 잉크의 퍼짐성을 변화시킬 수 있다.

제안 방법

측정된 액적의 직경을 바탕으로 분사 간격을 액적 직경과 동일하게 설정하면 액적들은 각 절반씩 겹쳐져 인쇄 된다. 실험에서는 액적의 겹침 정도를 50%, 25%, 0%로 설정하여 라인 패턴을 인쇄 하였을 때의 현상을 관찰하였다.
테프론 코팅은 기판의 표면에너지를 변화시키기 위한 것이며 이를 통해 초기 기판의 표면 에너지를 낮추어 잉크와 기판간의 큰 접촉각을 얻을 수 있다. 이는 잉크의 퍼짐 정도를 변화시키기 위함이며 테프론 코팅 후 0, 2, 4, 6분의 UV/O₃ 처리을 통하여 서로 다른 표면 에너지를 갖는 기판을 제작하였다. 표면에너지는 Diiodomethane(CH₂I₂), Formamide(HCONH₂), DI water 세 가지 용매의 접촉각을 측정하여 알 수 있다.
분사되는 잉크액적의 간격은 라인 형성에 필요한 겹침 정도를 변화 시키며 잉크 양에 따라 패턴의 특성에 영향을 줄 수 있다. 잉크 액적의 분사 간격을 결정하기 위해 먼저 각 기판에 일정 간격으로의 점 패턴을 인쇄하고 액적의 퍼짐 정도를 직경을 측정함으로써 확인한다. 측정된 액적의 직경을 바탕으로 분사 간격을 액적 직경과 동일하게 설정하면 액적들은 각 절반씩 겹쳐져 인쇄 된다.

대상 데이터

두 잉크는 표면장력에서 약간의 차이를 보이나 잉크를 구성하는 주 용매가 극성과 무극성을 띈다는 점을 더 주목하였다. 기판은 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며 표면처리는 테프론 용액을 스핀코팅하고 UV/O₃ 처리하는 방법을 사용하였다. 테프론 코팅은 기판의 표면에너지를 변화시키기 위한 것이며 이를 통해 초기 기판의 표면 에너지를 낮추어 잉크와 기판간의 큰 접촉각을 얻을 수 있다.
실험에 사용된 잉크젯 프린팅 장비는 Dimatix사의 DMP-2831모델로 잉크 액적은 2축 스테이지의 이동에 의한 트리거 신호에 따라 Drop-On-Demand(DOD)방식으로 분사되어 진다. 카트리지형 잉크분사 헤드는 DMP-11610모델을 사용하였으며 단일액적 분사시의 액적 부피는 약 10pl 정도이다.
카트리지형 잉크분사 헤드는 DMP-11610모델을 사용하였으며 단일액적 분사시의 액적 부피는 약 10pl 정도이다. 잉크는 ANP사의 실버 잉크인 DGP-40LT-15C와 DGH-55HTG를 사용하였다. <표 1>에서 잉크의 물성을 보여준다.
실험에 사용된 잉크젯 프린팅 장비는 Dimatix사의 DMP-2831모델로 잉크 액적은 2축 스테이지의 이동에 의한 트리거 신호에 따라 Drop-On-Demand(DOD)방식으로 분사되어 진다. 카트리지형 잉크분사 헤드는 DMP-11610모델을 사용하였으며 단일액적 분사시의 액적 부피는 약 10pl 정도이다. 잉크는 ANP사의 실버 잉크인 DGP-40LT-15C와 DGH-55HTG를 사용하였다.

성능/효과

테프론 코팅 후 아무런 처리가 없을 때의 기판이 가장 낮은 표면 에너지를 보이며 UV/O₃ 처리시간이 증가할수록 표면 에너지가 놓아짐을 볼 수 있다. 또한 각각의 기판에 분사된 잉크 액적 표면에너지가 놓아짐에 따라 퍼짐성의 향상으로 인한 직경이 증가함을 알 수 있다. 접촉각 측정에서 알 수 있었듯이 무극성 용매가 사용된 DGH-55HTG 잉크는 상대적으로 직경의 변화가 적음을 확인할 수 있다.
또한 각각의 기판에 분사된 잉크 액적 표면에너지가 놓아짐에 따라 퍼짐성의 향상으로 인한 직경이 증가함을 알 수 있다. 접촉각 측정에서 알 수 있었듯이 무극성 용매가 사용된 DGH-55HTG 잉크는 상대적으로 직경의 변화가 적음을 확인할 수 있다.
<표 2>는 각각의 기판에서 계산된 표면에너지와 실험에 사용된 두 가지 잉크가 분사 되었을 때 액적의 직경을 보여준다. 테프론 코팅 후 아무런 처리가 없을 때의 기판이 가장 낮은 표면 에너지를 보이며 UV/O₃ 처리시간이 증가할수록 표면 에너지가 놓아짐을 볼 수 있다. 또한 각각의 기판에 분사된 잉크 액적 표면에너지가 놓아짐에 따라 퍼짐성의 향상으로 인한 직경이 증가함을 알 수 있다.

후속연구

라인 패턴의 인쇄 시 액적간의 겹침이 최소로 발생할 수 있도록 분사간격을 조절하는 것도 라인의 벌지 현상을 줄이는데 도움을 준다. 향후 연구에 있어서 잉크젯 인쇄 시 기판의 온도가 라인 패턴의 특성에 미치는 영향에 대해 진행될 예정이다.

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