KR101065766B1 - 충돌 슬릿 노즐과 적외선 가열기를 장착한 혼합형 건조 장치 - Google Patents

충돌 슬릿 노즐과 적외선 가열기를 장착한 혼합형 건조 장치 Download PDF

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Abstract

충돌 슬릿 노즐과 적외선가열기를 교번적으로 배치하여 컨베이어에 의해 이송되는 모재에 프린트된 전도성 금속 잉크를 건조 및 큐어링하기 위한 혼합형 건조 장치가 개시된다.
혼합형 건조 장치는 컨베이어 벨트 상에서 이송되는 모재에 열풍을 토출하는 충돌 슬롯 노즐 유닛, 및 충돌 슬롯 노즐과 교번적으로 배치되는 적외선 가열기를 포함한다.
혼합형 건조 장치는 충돌 슬릿 노즐 유닛과 적외선 가열기를 교번적으로 배치함으로써 전도성 금속 잉크가 인쇄된 모재가 고른 온도분포를 가지고 건조되면서, 모재와 전도성 금속 잉크가 차등적으로 가열됨으로써 큐어링 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

충돌 슬릿 노즐과 적외선 가열기를 장착한 혼합형 건조 장치{Hybrid hot wind heating apparatus including impingement slot nozzle unit and infrared radiation system}
본 발명은 모재에 프린트된 전도성 금속 잉크를 건조 및 큐어링하기 위한 건조 장치에 관한 것으로서, 특히 충돌 슬릿 노즐과 적외선가열기를 교번적으로 배치한 혼합형 건조 장치에 관한 것이다.
RFID 방식은 비접촉형 자동식별 기술로써 사물에 초소형 칩(chip)과 안테나를 태그 형태로 부착하여, 정보를 무선 주파수로 네트워크에 전송하여 처리하는 기술이다. 최근 RFID 방식의 전자회로 패턴을 인쇄하는 기술이 정보화 시대를 실현시키는 핵심 기술로서 그 중요성이 날로 증가하고 있다. 이러한 기술을 위한 핵심 소재인 전도성 금속 잉크는 대부분 실버 나노 잉크가 사용되고 있다.
한편, 이러한 전자회로 패턴을 값싸게 대량생산 하기 위해서 연구되는 것은 안테나의 저항을 최소화하는 건조 및 큐어링(curing) 공정이다. RFID 태그 안테나를 형성하기 위해 사용되는 전도성 잉크는 전도성 금속 나노 입자 이외에도 유기 용매, 분산제 등을 포함한다. 전도성 금속 나노 입자로서는 비저항이 적은, 구리, 은, 금, 백금, 니켈 또는 이들의 혼합물이 사용된다.
모재에 인쇄된 전도성 금속 잉크 조성물은 열처리 단계를 통하여 건조 및 큐어링(curing)된다. 건조 단계는 금속성 잉크에 함유된 유기 용매, 분산제, 중점제 또는 첨가제 등을 제거하기 위한 것이고, 큐어링 단계는 금속 나노 입자들 간의 결합을 유도하기 위한 것이다. 큐어링은 분산된 금속 나노 입자들을 소정의 온도 및 시간동안 가열함에 의해 용융 및 결합시켜서 전도성을 증대시키는 것으로서, 금속 잉크에 따라 다르지만 대략 5분~ 30분 정도의 시간이 소요되기 때문에 이 때문에 건조 및 큐어링 공정을 인쇄 공정과는 별도의 다른 공정에서 수행하거나(off-line공정) 인쇄 공정의 후공정으로서 실시하되 매우 저속으로 건조 및 큐어링하도록 하고 있다(in-line 공정). 따라서, 프링팅법에 있어서 건조 및 큐어링을 위해 소요되는 시간은 RFID 태그의 제조 단가 절감을 가로막는 중요한 장애 요인이 되고 있다.
건조 및 큐어링 처리는 오븐(oven)에서 off-line(비연속 공정)으로 수행되는 것과, 열풍 건조 장치를 사용하여 in-line(연속공정)으로 수행되는 것이 있다. 고속 대량의 생산을 위해서는 오븐 방식보다는 열풍 건조 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
그렇지만 현재 사용되고 있는 전통적인 열풍(hot-wind)을 이용한 열풍 건조 방식만으로는 전도성 금속 잉크를 사용하는 인쇄 방식에서 요구하는 건조 및 큐어링 성능을 만족시키지 못하고 있다.
또한, 충돌 슬롯 노즐(Implingement slot nozzle)을 사용하는 열풍 건조 방식에 대한 기존의 논문을 검토해 보면 지금까지 대부분의 기술이 paper 건조의 열전달계수 향상에 집중되어 있었다. 그리고 RFID 방식의 전자회로 패턴과 같은 전도성 금속 잉크의 건조 특성에 관한 기술 자료가 거의 없었다.
도 1은 종래의 열풍건조장치의 구성을 도시한다.
도 1을 참조하면, 종래의 열풍건조장치(100)는 복수의 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)을 구비한다. 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)은 모재가 운반되는 컨베이어 벨트(12)의 상부에 나란히 배치된다. 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)들 각각에 열풍을 공급하는 열풍 공급관(26)이 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)의 상부에 배치된다. 컨베이어 벨트(12)는 제1 및 제2로울러(10a, 10b)에 의해 도면에서 화살표 방향으로 이동되며, 컨베이어 벨트(12)의 하부에 흡입부(30)가 배치된다. 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)은 복수의 슬릿 노즐(24)을 수용하고 있다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 열풍건조장치(100)의 열풍 순환 구조를 도시한다.
흡입부(30)에 의해 흡입된 열풍은 배기부(32) 및 열풍 취출구(28)를 통하여 열풍 공급관(26)으로 공급된다. 이에 따라, 흡입부(30), 배기부(32), 열풍 취출구(28) 그리고 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)로 이루어지는 폐회로를 통하여 열풍이 순환된다.
도 3은 도 1에 도시된 슬릿 노즐(24)의 상세한 구성을 도시한다. 도 3을 참조하면, 슬릿 노즐(24)은 직육각형의 형태의 유닛 바디(24d)와 유닛 바디(24d)의 하부에 배치된 3개의 슬릿들(24a, 24b, 24c)을 가진다. 슬릿들(24a, 24b, 24c)은 상부에서 하부로 가면서 폭이 점점 좁아지다가 종단에서 띠 모양의 노즐 구멍을 형성한다. 슬릿들(24a, 24b, 24c)은 그것의 길이 방향이 컨베이어 벨트(12)의 길이방향과 직각이 되도록 배치된다.
슬릿들(24a, 24b, 24c)은 폭방향으로 잇대어 지며, 유닛 바디(24d)에 연통된다. 유닛 바디(24d)의 상부 중앙에는 열풍을 유입하기 위한 개구부(24e)가 설치된다.
종래의 슬릿 노즐(24)는 슬릿들(24a, 24b, 24c)이 유닛 바디(24d)에 연통되고 유닛 바디(24d)의 상부에서 열풍이 공급되는 구조를 가지고 있었기 때문에 슬릿들(24a, 24b, 24c)을 통하여 모재에 균일하게 열풍을 공급할 수 없다는 문제점이 있다.
종래의 슬릿 노즐(24)은 수직으로 공급되는 열풍이 노즐 구멍을 통하여 모재로 흐르게 된다. 이때 열풍이 슬릿 노즐(24)의 내부에서 고르게 분포되는 것이 모재의 건조를 위하여 좋으나, 실제로는 공기 저항이 적은 부분과 많은 부분이 있어서 뷸균일한 분포를 보이게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 종래의 슬릿 노즐(24)에 있어서 열풍 배출 구조를 도시한다. 도 4를 참조하면, 슬릿 노즐(24)에 있어서 중앙의 슬릿(24b)에서 토출되는 열풍의 강도(A)가 양 옆의 슬릿들(24a, 24c)에서 토출되는 열풍의 강도(B, C)보다 큰 것을 알 수 있다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙의 슬릿(24b)이 개구부(24e)의 직하방에 놓여져 있기 때문에 개구부(24e)를 통하여 유입되는 열풍이 중앙의 슬릿(24b)에 우선적으로 제공되며, 슬릿 노즐(24)의 구조상 양 옆의 슬릿들(24a, 24c)에서의 공기 저항이 크기 때문이다.
한편, 종래의 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)은 직하방으로 열풍을 배출되는 구조를 가지고 있었기 때문에 열풍 건조 장치(100) 내의 상하부간의 대류가 원활하지 않아 열풍 건조 장치(100) 내의 온도분포가 일정하지 않게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 충돌 슬릿 노즐 유닛(22)은 직하방으로만 열풍이 배출되는 구조를 가지고 있었기 때문에 도 1에 도시되는 바와 같이 흡입구(30)가 컨베이어(12)의 하부에 배치되어야 하고, 이로 인하여 열풍 순환을 위한 폐회로의 길이가 길어지게 되어 열손실이 많아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 모재에 인쇄된 전도성 금속 잉크를 건조 및 큐어링함에 있어서 모재의 모든 영역에서 고른 온도 분포를 유지시킴으로써 건조 및 큐어링 성능을 개선시키는 혼합형 건조 장치를 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치는 컨베이어 벨트 상에서 이송되는 모재에 열풍을 토출하는 충돌 슬롯 노즐 유닛, 및 충돌 슬롯 노즐과 교번적으로 배치되는 적외선 가열기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 충돌 슬릿 노즐 유닛은 충돌 슬롯 노즐로부터 토출된 열풍을 흡입하기 위한 상부 흡입 구멍이 상부에 형성되고, 컨베이어 벨트의 상부 좌측면에 충돌 슬릿 노즐 유닛에서 토출된 열풍 및 상부로 흡입된 열풍을 배기하기 위한 배기구를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 혼합형 건조 장치는 충돌 슬릿 노즐 유닛과 적외선 가열기를 교번적으로 배치함으로써 전도성 금속 잉크가 인쇄된 모재가 고른 온도분포를 가지고 건조되면서 전도성 금속 잉크의 큐어링 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 혼합형 건조 장치는 적외선 가열기에 의해 광투과성 모재와 모재에 인쇄된 전도성 금속 잉크를 차등적으로 가열함으로써 건조 및 큐어링 성능을 향상시키는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 열풍건조장치의 구성을 도시하고,
도 2는 도 1에 도시된 종래의 열풍건조장치의 열풍 순환 구조를 도시하고,
도 3은 도 1에 도시된 충돌 슬릿 노즐 유닛의 상세한 구성을 도시하고,
도 4는 도 3에 도시된 충돌 슬릿 노즐에 있어서 열풍 배출 구조를 도시하고,
도 5는 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치의 구성을 도시하고,
도 6은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치(200)의 열풍 순환 구조를 도시하고,
도 7은 도 5에 도시된 충돌 슬릿 노즐 유닛의 상세한 구성을 도시하고,
도 8은 도 7에 도시된 분배 실린더의 구성을 도시하고,
도 9는 도 7에 도시된 상부 흡입 구멍의 구성을 도시하고,
도 10은 적외선 건조 장치에서 cm 당 line수의 변화에 따른 건조 및 curing 온도가 80℃ 일 때 건조 시간 변화에 따른 저항 변화를 그래프로 나타낸 도면이고,
도 11a, 11b 및 11c는 건조 장치의 변화에 따른 시간 변화에 대한 저항의 변화를 같은 온도의 변화에 따라 같은 line 수(140 line/cm)에서 실험한 결과를 그래프로 도시한 도면이고, 그리고
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치에서 열풍 장치의 온도 변화에 따른 시간 변화에 대한 저항의 변화를 같은 적외선 온도의 변화에 따라 같은 line 수(140 line/cm)에서 실험한 결과를 그래프로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치(200)의 구성을 도시한다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치(200)는 복수의 충돌 슬릿 노즐 유닛(222) 및 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)에 대하여 컨베이어 벨트가 진행하는 방향으로 교번적으로 배치되는 복수의 적외선 가열기(232)를 구비한다. 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)은 모재가 운반되는 컨베이어 벨트(212)의 상부에 나란히 배치된다. 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)들 각각에 열풍을 공급하는 열풍 공급관(226)이 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 상부에 배치된다. 컨베이어 벨트(212)는 제1 및 제2로울러(210a, 210b)에 의해 도면에서 화살표 방향으로 이동되며, 컨베이어 벨트(212)의 측면에 흡입부(230)가 배치된다. 적외선 가열기(232)는 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)들의 사이사이에 교번적으로 배치된다.
적외선 건조방식의 경우 빛의 복사에너지를 이용한 복사열전달로 인해 열 손실 없이 85% 이상의 에너지를 전달할 수 있다.
본 발명에서는 적외선 가열기(232)를 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)들의 사이사이에 배치하여, 적외선 가열기(232)를 이용하여 예열 및 온도 강화의 효과를 얻는다.
건조 및 큐어링에 사용되는 근적외선(Near Infrared Radiation)의 파장 영역은 0.8∼1.5 이다. 근적외선은 다른 영역의 적외선보다 파장이 짧기 때문에 열 침투력이 높아 건조 효과를 극대화할 수 있다. 또한 30분 정도의 예열시간을 필요로 하는 열풍건조방식과 달리 적외선의 예열 시간은 1분 이내이므로 예열에 필요한 에너지 소비와 건조 속도 면에서 장점을 보인다.
특히 적외선의 경우 열풍 건조방식보다 낮은 온도에서 건조 작업을 할 수 있으므로 에너지 소비 측면에서 경제적이며 장치의 크기를 줄이고 소음을 적게 하며 조작이 간편하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 모재는 광투과성인 것이 바람직하다. 인쇄된 전도성 금속 잉크는 비투과성이므로 모재가 실질적으로 적외선을 투과시키는 광투과성일 경우, 모재와 모재 상에 인쇄된 전도성 금속 잉크를 차등적으로 가열하는 것이 가능하다.
실험에 의하면, 모재에 인쇄되는 라인수는 100라인/cm이상인 것이 바람직하다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 혼합형 건조 장치(200)의 열풍 순환 구조를 도시한다.
흡입부(230)에 의해 흡입된 열풍은 배기부(232) 및 열풍 취출구(228)를 통하여 열풍 공급관(226)으로 공급된다. 이에 따라, 흡입부(230), 배기부(232), 열풍 취출구(228) 그리고 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)으로 이루어지는 폐회로를 통하여 열풍이 순환된다. 도 6에 도시된 것과 도 2에 도시된 것을 비교하면, 본 발명에 따른 열풍건조장치(200)에 있어서 배기부(232)가 컨베이어 벨트(212)의 상부 측면에 위치함으로써 열풍순환을 위한 폐회로의 길이가 짧아지고 이에 따라 열효율이 개선되는 것을 알 수 있다.
한편, 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)은 직하방으로 열풍을 토출할 뿐만 아니라 슬릿의 측면을 통하여 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 직상방으로 열풍을 흡입하는 것이 도시된다. 이는 독립적인 슬릿들을 소정 간격으로 이격시키고 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 상측에 흡기 구멍을 형성함에 의해 이루어진다. 이와 같이 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 직상방으로 유입된 열풍은 도 6에 도시된 바와 같이 열풍건조장치(200)의 내부에서 다시 하부로 즉, 컨베이어 벨트(212)쪽으로 내려왔다가 컨베이어 벨트(212)의 상부 측면에 설치된 흡입부(230)에 의해 흡수된다. 이와 같은 직상방으로의 흡기 및 컨베이어 벨트(212) 측면으로의 배기 작용에 의해 열풍건조장치(200) 내부에서 열풍의 순환이 이루어지고 이에 따라 열풍건조장치(200) 내부의 온도 분포가 고르게 됨을 알 수 있다.
충돌 슬릿 노즐 유닛(222)은 복수의 충돌 슬릿 노즐들(224)을 수용하고 있다.
도 7은 도 5에 도시된 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 상세한 구성을 도시한다. 도 7을 참조하면, 충돌 슬릿 노즐 유닛(224)은 직육각형의 형태의 유닛 바디(224e)와 유닛 바디(224e)의 내부에 수용되는 3개의 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)을 가진다. 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)는 직육각형의 형태를 가지며 상호 독립적으로 유닛 바디(224e)와 연통되는 구조를 가지며, 하부는 폭이 점점 좁아지다가 종단에서 띠 모양의 노즐 구멍을 형성하고 상부에는 열풍을 유입하기 위한 내부 개구부(224f, 224g, 224h)를 가진다. 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)은 그것의 길이 방향이 컨베이어 벨트(212)의 길이방향과 직각이 되도록 배치된다.
충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)은 폭방향으로 소정의 간격을 두고 잇대어 지며, 각각의 내부 개구부(224f, 224g, 224h)를 통하여 유닛 바디(224d)에 연통된다.
충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c) 사이 혹은 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224c)과 유닛 바디(224e) 사이는 소정의 간격으로 이격되고, 유닛 바디(224d)의 상부의 네 귀퉁이에는 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)의 노즐 구멍을 통하여 토출된 열풍을 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 외부로 흡입하기 위한 상부 흡입 구멍(224k)이 형성된다.
유닛 바디(224d)의 상부 중앙에는 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)에 공급되는 열풍을 유입하기 위한 개구부(224e)가 설치되고, 개구부(224e)의 하측에 분배실린더(224m)이 구비된다.
도 8은 도 7에 도시된 분배 실린더(224m)의 구성을 도시한다. 도 7을 참조하면, 분배 실린더(224m)은 개구부(224e)에 연결되며, 개구부(224e)보다 큰 직경을 가지는 실린더 형태로 구성된다. 분배 실린더(224m)의 하부에는 분배된 열풍을 취출하기 위한 복수의 취출구(224m)가 형성된다.
열풍공급관(228)을 통해 개구부(224e)로 유입되는 열풍은 분배 실린더(224m)에서 균일한 강도를 가지도록 분배되어 복수의 취출구(224m)을 통하여 취출된다. 도 8을 참조하면, 각각의 충돌 슬롯 노즐들(224a, 224b, 224c)은 다시 3개의 서브 노즐들로 구분되고 각 서브 노즐들의 상부에는 내부 개구부들(224h)이 형성되며, 이에 따라 분배 실린더(224m)의 하부에는 9개의 취출구(224n)이 구비된다. 도시되지는 않았지만, 취출구(224m)과 내부 개구부(224h)는 원통형의 연결관(미도시)을 통하여 연결된다. 도 8에 도시된 바와 같이 개구부(224e)를 통하여 유입되는 열풍이 분배 실린더(224m)을 통하여 각각의 충돌 슬롯 노즐들(224a, 224b, 224c) 및 서브 노즐들에 고르게 분배되므로 노즐 구멍을 통해 열풍이 고르게 토출될 수 있음을 알 수 있다.
도 8에 도시된 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)에 의하면, 개구부(224e)로부터 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c)까지 유체역학적으로 동일한 저항을 가지는 원통형의 연결관을 통하여 열풍이 공급되므로 노즐 구멍을 통해 열풍이 고르게 토출될 수 있다.
이와 같은 특성에 의해 본 발명의 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)은 전도성 금속 잉크를 건조 및 큐어링하기 위해 필요한 균일한 온도 분포 조건을 만족시킬 수 있다.
도 9는 도 7에 도시된 상부 흡입 구멍(224k)을 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이 상부 흡입 구멍(224k)는 유닛 바디(224e)의 상부에서 개구부(224e)와 유닛 바디(224e)의 네귀퉁이 사이에 형성된다. 이 상부 흡입구멍(224k)는 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224b, 224c) 사이 및 충돌 슬릿 노즐들(224a, 224c)과 유닛 바디(224e) 사이를 통하여 유닛 바디(224e)의 내부로 흡입되는 열풍을 충돌 슬릿 노즐 유닛(222)의 외부로 빼내기 위한 것이다.
이렇게 상부 흡입 구멍(224k)을 통하여 흡입된 열풍은 도 6에 도시된 바와 같이 열풍건조장치(220)의 내부에서 다시 하부로 내려왔다가 컨베이어(212)의 상부 측면에 설치된 흡입구(230)에 의해 흡수된다. 이와 같은 직상방으로의 흡기 및 컨베이어(212)의 상부 측면으로의 배기 작용에 의해 열풍건조장치(200) 내부에서 열풍의 순환이 이루어지고 이에 따라 열풍건조장치(200) 내부의 온도 분포가 고르게 됨을 알 수 있다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 오븐(oven)형 건조 및 큐어링 장치를 컨베이어형(conveyer type)으로 바꾸기 위해서는 열풍 건조 장치를 비롯하여 적외선 건조 장치 등 다양한 건조 장치들의 전도성 금속 잉크 건조 특성에 관한 기술이 필요하며 이와 함께 여러 건조 장치들을 병용하였을 때의 건조 특성에 관한 기술 또한 진행하여 전도성 금속 잉크의 건조 성능을 만족시키는 최적의 건조 조건을 찾는 기술이 필요하다.
본 발명은 RFID 인쇄용 on-line 건조장치 제작 및 성능향상을 위해 전도성 금속 잉크의 건조 성능을 향상시키는 기술에 관한 것으로써 열풍과 적외선을 병용한 건조 방식을 통하여 하나의 라인 안에서 건조 및 큐어링에 소요되는 시간을 줄여 대량 및 연속적인 생산을 할 수 있는 기술을 제시한다.
본 발명에 따른 혼합형 건조 장치의 성능 평가를 위한 실험에 관한 변수들은 가장 기본인 건조 방식의 변화에 따른 저항의 차이와 건조 온도, 건조 시간, 패턴의 line/cm 차이로 변수를 설정하여 실험하였다. 실험 매체는 RFID 안테나와 같은 전자회로 패턴 인쇄에 사용되는 전도성 금속 잉크를 이용하였다.
열풍 건조 방식은 에너지 전달 방식이 대류열전달 방식으로 Pohlhausen equation 에 의하면
Figure 112010042064315-pat00001
여기서, Sh는 Sherwood수이고, Re는 Reynolds수이고 그리고 Sc는 Schmidts수이다.
Figure 112010042064315-pat00002
여기서, DAB는 종(Species) 확산계수이다.
물질전달은 속도u 와 거리L의 함수로 볼 수 있다. 또한 물질전달이 열전달의 메카니즘과 유사하므로 물질전달의 driving force인 Δζ(농도 차)는 열절달의 ΔT(온도차)에 해당한다. 따라서 물질전달에 의한 건조량은 F(Q, ΔT)의 함수라고 가정할 수 있다. (Q=풍량,ΔT =온도차)
적외선 건조방식은 에너지 전달방식이 복사열전달방식으로 Planck equation에 의하면 흑체가 절대온도 T(K) 파장 λ에서 단위시간당, 단위 면적당 방사하는 복사인 파장 흑체 방사도는 다음과 같다.
Figure 112010042064315-pat00003
상수
Figure 112010042064315-pat00004
,
Figure 112010042064315-pat00005
이다.
여기서, Eb λ는 방사력이고, Co, C1 및 C2는 광속도이고, h는 플랑크 상수이고, K는 절대온도이다.
최대 Eb λ를 나타내는 최대 파장 λmax와 온도 T의 관계는 Wien의 전이법칙으로 알려져 있으며 다음과 같다.
Figure 112010042064315-pat00006
위 식에서 상수
Figure 112010042064315-pat00007
이다.
Stefan-Boltzman equation에 의하면
Figure 112010042064315-pat00008
이상적인 흑체에서 전체 복사에너지는 절대온도의 4승에 비례한다. 위 식에서 상수인
Figure 112010042064315-pat00009
이다.
Q, ΔT를 변경하면서 다음과 같은 열풍 실험장치를 이용하여 실험하였으며, ΔT를 변경하면서 다음과 같은 적외선 실험장치를 이용하여 실험하였다.
실험은 프린팅 장비를 이용하여 전도성 금속 잉크를 PET 필름에 인쇄하고 이 필름을 컨베이어형 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서 열풍 건조 장치와 적외선 건조 장치를 단독으로 작동시킬 때와 같이 병용해서 작동시킬 때에 건조 및 curing 온도 변화는 열풍 건조 장치에서는 120℃, 135℃, 150℃로 하였고 적외선 건조 장치에서는 80℃, 100℃, 120℃, 150℃로 하였다. 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서는 기본 열풍 장치 온도 120℃, 135℃, 150℃에서 적외선 장치에 가해지는 전력량을 각각 1160W(80℃), 3250W(100℃), 3760W(120℃), 3946W(150℃)로 적용하였다.
건조 시간 변화 8초, 13초, 26초, 52초, 130초, 180초에 따른 PET 필름의 저항 변화를 측정한다. 본 실험에 사용된 전도성 금속 잉크는 Parelec 사의 Parmod VLT ink를 사용하였고 사용된 모제는 SKC의 SH34P 100 um PET 필름이 사용되었다. 프린팅 장비로는 IGT Testing Systems사의 IGT Printability Tester F1 장비를 사용하였다.
또한, 정밀한 저항 측정을 위해 AIT 사의 측정 범위가 1 mΩ/sq ∼ 2 ㏁/sq인 4-point probe 저항 측정 장비인 CMT-100MP 제품을 사용하였다.
표 1은 실험에 사용한 전도성 금속 잉크의 물성치 정보이다.
Pigment silver
solvent N-protein acetyl
Solid Content ∼83 weight %
Viscosity 30 ∼ 50 KcP
Speciffic gravity ∼3.2 g/ml
건조 장치에 따른 비교 실험에 앞서 패턴의 선수에 따른 저항의 변화를 측정하여 최적의 선수를 찾아 인쇄 상태의 품질과 저항과의 차이를 분석하였다. 선수(line/cm)란 인쇄 상태의 품질을 나타내는데 전도성 금속 잉크의 경우 표면 상태와 저항과의 연관성에 대한 기존 자료가 없어 전도성 금속 잉크의 건조 성능을 만족시키면서 표면 상태의 품질 또한 만족시키기 위한 선수에 대한 연구를 병행하였다.
적외선 건조 장치에서 cm 당 line수의 변화에 따른 건조 및 curing 온도가 80℃ 일 때 건조 시간 변화에 따른 저항 변화를 그래프로 도 10에 도시하였다.
실험 결과 cm 당 line 수가 100 이하의 경우 모재의 프린팅 상태도 좋지 않았으며 저항도 높게 측정되었다. line 수가 100 line/cm 이상에서는 저항이 낮게 측정되었으며 인쇄 프린팅 상태도 양호하였다. 이를 근거로 열풍 건조 장치 와 적외선 건조장치, 열풍 및 적외선 병용 건조 장치의 건조성능 비교 실험을 실시하였다.
건조 장치에 따른 시간 변화에 대한 저항의 변화를 같은 온도의 변화에 따라 같은 line 수(140 line/cm)에서 실험한 결과가 도 11a, 11b 및 11c에 도시되어 있다.
열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서 열풍 장치의 온도 변화에 따른 시간 변화에 대한 저항의 변화를 같은 적외선 온도의 변화에 따라 같은 line 수(140 line/cm)에서 실험한 결과가 도 12a, 도 12b 및 도12c에 도시되어 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 패턴의 선수가 140 lime/cm일 때 열풍 건조 장치와 적외선 건조 장치에서 모두 건조 및 큐어링 시간이 증가할수록 저항이 낮게 측정되었다.
열풍 건조 장치가 적외선 건조 장치에 비하여 건조 및 curing 시간이 짧을 경우 저항이 낮게 측정되었지만 건조 및 curing 시간이 증가할수록 적외선 건조 장치에서 저항이 낮게 측정되었다.
하지만 적외선 건조 장치의 경우 건조 및 curing 시간이 증가할수록 PET 필름의 상태가 불량해져서 사용이 불가능해지는 문제가 발생하였다.
본 발명에 따른 열풍 및 적외선 병용의 혼합형 건조 장치의 경우 열품 건조 장치와 적외선 건조 장치 각각 단독으로 작동시키는 것에 비하여 짧은 건조 및 큐어링 시간에서도 낮은 저항을 나타내었다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 모재에 인쇄된 전도성 금속 잉크를 건조 및 큐어링하는 건조 장치에 있어서,
    컨베이어 벨트 상에서 이송되는 모재에 열풍을 토출하는 충돌 슬롯 노즐 유닛; 및
    충돌 슬롯 노즐과 교번적으로 배치되는 적외선 가열기를 포함하는 혼합형 건조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모재는 광투과성인 것을 특징으로 하는 혼합형 건조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모재에 인쇄되는 전도성 금속 잉크의 라인수는 100라인/cm이상인 것을 특징으로 하는 혼합형 건조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충돌 슬릿 노즐 유닛은
    복수의 충돌 슬릿 노즐들을 수용하며, 상기 충돌 슬릿 노즐의 노즐 구멍을 통하여 토출된 열풍을 흡입하기 위한 상부 흡입 구멍이 상부면에 설치되는 것을 특징으로 하는 혼합형 건조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨베이어 벨트의 상부 측면에 설치되어 상기 충돌 슬릿 노즐 유닛에서 토출 및 흡입된 열풍을 흡기하는 흡기부; 및
    상기 흡기구를 통하여 흡입된 열풍을 상기 충돌 슬릿 노즐 유닛에 공급시키는 배기부; 를 포함하는 혼합형 건조 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 충돌 슬릿 노즐 유닛은
    상부에 열풍을 유입하기 위한 개구부를 가지는 직육각형의 형태의 유닛 바디;
    상기 유닛 바디의 내부에 수용되며 상부가 상기 유닛 바디와 연통되는 복수의 충돌 슬릿 노즐들; 및
    상기 개구부와 상기 충돌 슬릿 노즐들 사이에 개재되어 상기 개구부를 통하여 유입되는 열풍을 분배하여 상기 복수의 충돌 슬릿 노즐들 각각에 분배하는 분배 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 건조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분배 실린더는
    상기 개구부보다 큰 직경을 가지는 실린더 형태를 가지며, 하부에 상기 복수의 충돌 슬릿 노즐들 각각으로 분배되는 열풍을 취출하는 복수의 취출구를 가지는 것을 특징으로 하는 혼합형 건조 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 충돌 슬릿 노즐들은
    상호 독립적인 구조를 가지며, 상기 유닛 바디와 연통하기 위한 내부 개구부를 가지며, 상기 분배 실린더의 취출구와 상기 슬릿의 내부 개구부를 연결시키는 원통형 연결 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합형 건조 장치.
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