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기포 압축성과 접촉각 효과를 고려한 미세 액적 분사 및 충돌에 관한 수치적 연구 : A Numerical Study on Micro-Droplet Ejection and Deposition Considering the Effects of Bubble Compressibility and Contact Angle

  • 발행기관 서강대학교 대학원
  • 지도교수 손기헌
  • 발행년도 2008
  • 학위수여년월 2008. 8
  • 학위명 박사
  • 학과 및 전공 기계공학과
  • 식별자(기타) 000000108455
  • 본문언어 한국어

목차

미세 액적을 이용한 패터닝 기술은 잉크젯과 같은 미세노즐로 피코 리터 단위의 잉크를 분사하는 매우 유용한 비접촉식 기술로 분사된 액적은 기판위에 충돌하여 미세 구조물을 채우게 되고 건조과정을 거쳐 박막의 패턴을 형성하게 된다. 이러한 패터닝 기술은 기존 패터닝 공정의 기반은 리포그래피 방식보다 공정이 단순하며 재료 소모율이 적어 제조원가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여 잉크젯을 이용한 패터닝 기술은 액정디스플레이(LCD)의 컬러 필터를 비롯하여 DNA 마이크로어레이, 유기 TFT 장치, 마이크로 전자기판 그리고 마이크로 렌즈 제작 등 많은 분야에서 응용되고 있다. 수 마이크로 단위의 미세한 패턴을 형성하기 위해서는 액적을 정확한 위치에 분사하는 것이 중요하다. 하지만 기존의 잉크젯 패터닝 기술에서는 잉크젯 노즐에서 액적 분사시 발생하는 다수의 이차 액적과 노즐위치 제어 및 잉크젯 장비의 이동에 따른 분사 오차 등으로 패턴닝 오차를 가지게 되어 결과적으로 원하지 않는 패턴이 형성되게 된다.
본 연구에서는 상경계면으로부터 거리로 정의된 함수를 사용함으로 마이크로 스케일에서 중요한 표면장력을 효과적으로 계산할 수 있는 LS(Level Set) 방법을 이용하여 미세액적의 분사 및 충돌 현상에 관한 수치적 연구를 수행할 수 있는 수치기법을 개발하였다. 기포의 상변화 및 압축성 효과를 결합하여 버블 잉크젯 계산에서 기포 거동을 직접 해석할 수 있도록 하였으며 격자면과 일치하지 않는 불규칙한 고체형상을 해석할 수 있는 수치 기법을 추가하여 액상-기상-고상의 접촉각 조건을 정확하게 구현하는 수치 기법을 제시하였다. 또한 이 수치 기법을 이용하여 구동 조건, 미세노즐의 형상 및 접촉각 변화를 통하여 액적 분사 특성을 규명하고 이를 바탕으로 효율적인 액적 분사 메카니즘을 찾는 연구를 수행하였으며 그리고 개발한 수치 기법을 미세 구조물이 있는 벽면에서 미세 액적의 충돌 현상을 해석에 적용함으로 잉크젯 패터닝 공정에서 접촉각을 이용한 표면에너지 조정을 통하여 공정의 정밀도를 높이는 기법에 대한 연구를 수행하였다.

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목차

Inkjet printing technology has recently received increasing attention in various patterning processes such as required in manufacturing color filters of LCD(liquid crystal display), DNA micro array, organic TFT devices, light-emitting diodes, and micro-lens. Compared with the popular lithography patterning, the inkjet patterning process, in which a microdroplet is ejected through a nozzle and deposited into the pre-patterned substrate, has significant advantages in manufacturing procedures and production cost. Generally, the liquid ejected through a nozzle breaks up into not only a lead droplet but also multiple satellite droplets. The formation of satellite droplets is undesirable in high quality printing or micro devices requiring elaborate flow control. Also, for high resolution patterning, it is very important to accurately place a droplet to the target position. However, the inkjet process possibly has some undesired patterning errors caused by the inaccuracy in nozzle position and ejecting angle. Despite a number of applications, the inkjet patterning process has not been properly analyzed because of the complexity of the process occurring in micro time and length scales and the liquid-air interface that evolves and breaks up, the flow fields influenced by the interfacial motion, and the immersed (or irregular-shaped) solid.
In this article, a numerical method is presented for computing the bubble and piezo type inkjet process and micro droplet deposition on the pre-patterned micro-structure. The method is based on the level-set (LS) formulation, which is modified to include the effect of phase change at the liquid-vapor interface and is extended to treat the contact angle condition at an immersed solid surface. Compared to the LS method formulated algebraically, the VOF method, which has been widely used for two-phase flows, is not straightforward to implement properly for two-phase flows with an immersed solid surface, because the interface reconstruction from the VOF function has to be made in an irregular fluid region rather than a Cartesian cell, which requires much more complicated geometric calculations. The VOF method has further difficulties in accurately imposing the contact angle condition where the gas-liquid interface meets the immersed solid surface. Also, an efficient formulation for dynamic contact angle modeling is included into the LS method to simulate the droplet motion at the nozzle wall. The compressibility effect of a bubble is also incorporated into the LS formulation to account for the high vapor pressure caused by bubble nucleation in bubble inkjet process.
The whole process of bubble inkjet including jet breaking, satellite droplet formation and ink rell as well as bubble growth and collapse is simulated without employing a simplied bubble growth model. And the numerical method is applied to analyze the effects of pressure pulse, the effects of number of heaters, nozzle shape and contact angle on droplet ejection and formation. Also, the numerical simulation of a patterning process using micro droplet ejection demonstrates that the multiphase characteristics between the liquid-gas-solid phases can be used to overcome the patterning error.

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