압전 잉크젯 헤드의 잉크분사거동 해석

Abstract

문서출력이나 그래픽출력에 사용되어왔던 잉크젯기술을 nanotechnology분야에 적용하려는 시도가 최근에 진행되고 있다. Ag ink, Cu ink, 전도성고분자 ink등 다양한 잉크를 사용하여 직접인쇄를 통해 디스플레이산업, 전자산업, 생명공학분야에서 두드러지게 적용하고 있다. 잉크젯기술을 적용 가능한 분야는 아직도 무궁한 것으로 판단되며 향후 nanotechnology분야의 화두가 될 것으로 예상된다. 잉크젯방식은 크게 continuous inkjet 방식과 drop on demand 방식으로 나눌 수 있다. 그리고 drop on demand 방식은 thermal inkjet과 piezo inkjet으로 나눌 수 있다. 이 중 piezo inkjet은 thermal inkjet에 비해 수명이 길고 인쇄품질이 뛰어나며 높은 신뢰성을 가지고 있어 극한의 공정을 요구하는 nanotechnology분야에서 많이 사용되고 있다. nanotechnology분야에서 사용되는 잉크는 용매에 분산제와 나노입자를 섞어서 생산되고 있다.이러한 잉크는 순수한 잉크와는 다른drop특성은 보인다. 또한 전도성고분자를 섞은 잉크에서는 높은 점도로 인해 비뉴턴유체의 거동을 보인다. 최근 nanotechnology분야에서 잉크젯기술을 적용하기위해 다양한 잉크를 개발하고 있으며 잉크젯헤드에서 떨어지는 다양한 잉크의 복잡한 물리적인 현상을 이해하기위해 수치해석을 통한 시뮬레이션 방법을 도입하여 연구가 진행되어져왔다. 본 논문은 잉크젯기술에 사용되는 PZT방식의 잉크젯헤드에서 분사되는 잉크의 형상을 시뮬레이션을 통해 구현하였다. 기존연구에서는 PZT의 변위와 노즐에서의 속도 또는 압력을 예상하여 노즐 inlet에 경계조건을 설정하고 해석한 경우가 대부분이었다.본 논문은waveform의 시간에 따른 전압의 변화를 PZT에 입력하여 PZT변형으로 나온 변위를 실시간으로 유동해석에 결과를 맵핑하는 연성해석방법을 도입하여 실제와 유사한 해석을 실시하였다. 연성해석은 ANSYS의 MFS방식을 사용하여 구현하였다. 잉크분사의 자유표면을 모사하기위해 volume fraction을 이용하여 공기와 유체의 경계를 구분하는 VOF(volume of fluid)모델을 사용하였고 표면장력의 효과를 고려하기위해서 CSF(continuum surface force)모델을 사용하였다. PZT와 유리의 변형을 static방법과 transient방법을 사용하여 비교하였다. 세 가지의 경계조건에 대해 구조해석과 결합된 유동해석을 하여 유리튜브 내에서 압력파의 전달을 관찰하였다. 해석의 검증을 위해 di-water실험에서의 경우와 비교하고 유사한 경향을 나타냄을 확인하였다.; We investigate the behavior of ink ejection from a PZT DOD inkjet nozzle using fluid-structure interaction (FSI) simulation. In order to analyze the process of droplet ejection, the structural analysis for the PZT and glass tube was performed first and then the FSI simulation was used to transfer the deformation of the PZT and glass tube to the ink inside the glass tube. From the FSI analysis, the pressure in the ink was estimated for the three different boundary conditions. While the ink pressure near the PZT tube was little affected by the boundary conditions, the pressure near the nozzle significantly depended on the boundary conditions. Also, we conducted the droplet ejection experiment using DI water as the ink and compared the experimental result with the numerical one. The analysis method used in the work could be utilized for the inkjet head with multi-nozzles as well as other types of PZT DOD inkjet nozzles such as bending, push or shear mode nozzles.