인쇄전자 공학을 위한 정전기력 잉크젯 헤드 개발

Abstract

본 논문에서는 정전기력 잉크젯 프린팅 기술의 핵심적인 구성요소인 다양한 정전기력 잉크젯 헤드를 설계하고 제작하였다. 정전기력 잉크젯 헤드의 설계를 위해 기본적인 헤드의 구조를 분석하였다. 구조적 원리에 따라 헤드의 노즐 오리피스와 잉크 챔버를 제작할 수 있는 재료를 선택하여 가공하였다. PCB 잉크젯 헤드의 경우, 기존의 PCB제조 공정을 응용하여 노즐 오리피스와 잉크 챔버를 제작하였고, 실제 제작 된 3가지 응용 형태를 가지고 액적 토출 실험을 진행하였다. PDMS 재료가 가지고 있는 소수성 표면 성질을 이용하여 PDMS 잉크젯 헤드를 제작하였다. 전극부를 외부로 돌출시킨 PDMS 잉크젯 헤드는 선폭 10㎛의 성능을 보여주었다. MEMS 공정 기술을 이용한 MEMS 잉크젯 헤드는 테플론 표면 처리를 통해 소수성 표면을 확보하였지만, 메니스커스 형성 과정이 불안정하였다. 다양한 노즐 오리피스 직경을 가질 수 있는 유리 모세관 잉크젯 헤드는 100㎛급의 라인을 안정적으로 패터닝할 수 있었다. 유리 모세관의 안정적인 액적 토출을 통해 기판 상에 다양한 형태의 응용패턴을 제작하였다. 금속 모세관 잉크젯 헤드는 70㎛급의 라인을 패터닝할 수 있었고, Ink3을 제외한 나머지 잉크에서 안정적인 메니스커스 형태를 보였다. PCB, PDMS, MEMS, 유리 모세관과 금속 모세관등의 정전기력 잉크젯 헤드 실험 조건을 잉크특성, 액적토출특성, 헤드특성 그리고 결과사양 등의 세부적 요소로 설정하였다. 정전기력 잉크젯 헤드를 이용하여 기판 상에 패터닝 실험을 한 후, 결과에 따라 각 헤드별 성능을 비교하였다. 액적 토출 특성에서는 PDMS, 유리 모세관, 금속 모세관 잉크젯 헤드가 안정된 메니스커스 특성을 보여주었다. 정전기력 잉크젯 헤드 개발을 통해 기존의 잉크젯 시스템 분야에서 사용되고 있는 압전 소자, 열 방식 등의 잉크젯 헤드를 보완하고자 하였다. 향후, 지속적인 정전기력 잉크젯 헤드 설계와 시스템 설계에 관한 연구를 통하여 멀티 잉크젯 헤드를 구현하고, 정밀 시스템 장치 개발을 통하여 고성능 정전기력 잉크젯 프린팅 시스템을 구현하여야 하겠다.

This thesis describes the physical development of a new inkjet technology electrostatic inkjet head design, which offers a direct and flexible approach for high resolution pattering. The electrostatic inkjet head is a contactless way of depositing the different materials on substrate. Contactless deposition of the metallic contents on different types of substrate without involving the complex steps is under research and will be powerful tool in the future. The direct fabrication process using electrostatic can be expected to be one of the dominant tools for both nano-technology research and applications such as microelectronics. The electrostatic forces enable the system to overcome the mechanical actuation which is often required high fabrication cost, actuation limitation and integration problems to produce printed electronics and electrical patterns at higher frequency rate. In this research various kinds of micron nozzle head based on hydrophilic and hydrophobic surfaces has been designed, fabricated and evaluated by experiment. For the head design, different type of materials has been used containing the above mention properties to evaluate the different dripping behavior. For the experiment purpose, the head is developed by lamination copper cladding sheet, MEMS, PDMS, glass and metallic materials. From experiments, different results like meniscus generation, dripping, jetting and printing has been observed and analyzed. These heads were fabricated by using different micromachining and modeling technology. and for the evaluation purpose different inks like dielectric, semiconductor and conductor inks been used. The experiments of conductive pattern had been performed to evaluate with different conductive ink in order to evaluate the developed electrostatic inkjet head.