KR20110001443A

KR20110001443A - 잉크방울의 거동 분석 시스템 및 이를 이용한 잉크방울 거동 분석 방법

Info

Publication number: KR20110001443A
Application number: KR1020090058986A
Authority: KR
Inventors: 권계시
Original assignee: 순천향대학교 산학협력단
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-06
Also published as: KR101095366B1

Abstract

본 발명은 프린트 헤드에서 분사되는 잉크방울의 거동을 분석하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 잉크방울 거동 분석 시스템은 제어신호를 생성하는 컨트롤러, 상기 제어신호에 기초한 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제1 트리거 펄스신호에서부터 일정 시간 지연되는 제2 트리거 펄스신호를 생성하는 펄스 발생기, 상기 제1 트리거 펄스신호에 기초하여 잉크를 토출시키기 위한 파형을 생성하는 파형 발생기, 상기 제2 트리거 펄스신호에 의해 작동하는 조명부, 상기 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제2 트리거 펄스신호 간의 시간 차이에 해당하는 시간 동안 토출되는 잉크방울을 촬영하여 상기 잉크방울의 거동 이미지를 획득하는 이미지 획득부 및 상기 이미지 획득부에서 획득한 이미지를 나타내는 표시부를 포함한다.

잉크 방울, 프린터 헤드, 문턱값, 관심영역, 리거먼트, 위성액적

Description

잉크방울의 거동 분석 시스템 및 이를 이용한 잉크방울 거동 분석 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR ANALZING MOVEMENT OF INK DROPLET}

본 발명은 잉크젯 프린터기에 있어서 토출되는 잉크방울의 거동을 분석하는 시스템 및 분석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프린트 헤드에서 토출된 다수개의 잉크방울들을 대상으로 속도 변화 등 토출 현상을 실시간으로 분석할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

잉크젯 기술이 발전함에 따라 사무용에서부터 전자 재료의 토출 등의 전자 부품 및 디스플레이 제조로의 응용 범위가 넓어지고 있다. 이러한 잉크젯이 제조 공정으로서 응용 범위를 넓혀감에 따라 잉크 방울(droplet)의 정밀 제어 및 속도 측정 등을 통하여 이를 파형으로 제어하는 기술이 요구된다. 또한, 다중노즐(multi-nozzle) 헤드인 경우 각 노즐에서의 잉크 토출량을 정확히 같게 하는 것이 요구된다. 이렇게 잉크젯 토출 특성이 각 노즐에 대해 균일해야 디스플레이 또는 잉크젯 공정으로 제조된 소자의 특성이 일정하게 되어 제품의 품질 향상을 확보 할 수 있다.

따라서, 실제 공정의 시작 전에 잉크방울(droplet)의 속도 및 체적의 측정과 전압 조정 등이 반복적으로 이루어져 모든 노즐의 특성을 균일하게 만들어야 한다. 그러나 실제 양산에 적용하려면 방울의 속도 또는 체적을 측정하고 조정하는 것이 신속하게 이루어지지 않으면 생산성이 저하된다.

즉, 모든 노즐에서의 잉크 방울의 속도 측정과 체적 측정이 요구된다. 이렇게 측정된 속도 또는 체적으로 각 노즐의 특성이 동일하도록 전압조정을 통하여 원하는 정도까지 반복한다. 이때 제조 장비의 생산성을 높이기 위해서는 신속하게 방울의 속도 또는 체적을 측정하는 것이 필요하다.

잉크의 점도(Viscosity), 프린트헤드, 프린팅속도, 프린팅 환경 등의 영향에 따라 프린팅 탄착위치 정밀도에 영향을 주게 된다. 각 노즐에서 분사되는 잉크 방울 측정 모니터링을 통하여 프린팅의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이를 위하여 프린팅 속도 대비 잉크방울이 분사되는 모양을 측정하는 장비의 속도도 같이 발전하고 있다.

일반적으로 각 장비메이커에서는 10kHz대에서 약(+/-)15㎛정도의 잉크방울 탄착정밀도를 관찰하기 위한 장비개발을 완료하였으며, 양산라인 대비 고속으로 분석할 수 있는 장비를 개발 중에 있다. 잉크방울 분사 측정시스템은 고속카메라(High scan camera)를 이용한 화상인식장비(Vision system)를 사용하여 분사되는 잉크의 모양을 두 직교방향에서(90도) 측정하여 잉크방울의 모양(Ink shape), 속도(Velocity), 직진성(Directionality)을 계산하여 잉크방울의 분사 오차관리 및 개선을 위해 활용되고 있다.

그러나, 종래의 잉크방울의 속도 및 체적 등을 측정하는 방법 및 시스템은 잉크 방울의 토출 상태가 양호하여 1개의 메인 잉크방울이 있는 경우에는 토출 특성을 용이하게 판단할 수 있으나, 잉크방울의 토출시점이 여러 개 존재하거나 잉크방울이 토출되는 과정에 리거먼트(ligament)가 생기거나 탄착 품질에 악영향을 주는 위성액적(satellite)이 발생하는 경우 등에는 토출 특성을 정확히 판단할 수 없다.

예를 들면, 토출되는 잉크방울의 속도가 일정하고 1개의 토출신호에 대해 잉크방울이 1개 존재하는 경우에는 잉크방울의 토출 속도 및 체적을 비교적 정확히 구할 수 있으나, 일반적으로 리거먼트 (ligament), 위성액적 (satellite) 등이 존재 하여 이것의 토출 속도 및 토출 거동 은 토출 과정에 따라서 변화하게 된다. 따라서 기존의 방법을 사용하여 잉크방울의 속도가 변하거나 위성액적이 존재하는 경우에는 토출 특성을 정확히 측정하지 못하는 한계가 있다. 따라서 잉크의 개발 및 토출특성을 평가하는데에는 잉크 토출의 거동이 정확히 필요하여 기존의 한계를 해결하는 방법의 개발이 필요하다.

본 발명의 일 실시예는 토출된 잉크방울의 거동 특성을 실시간으로 분석할 수 있는 잉크방울 거동 분석 시스템 및 분석 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 모든 토출 과정 동안의 잉크방울의 속도 변화를 측정할 수 있는 잉크방울의 거동 분석 시스템 및 분석 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 잉크방울의 토출과정에서 생기는 리거먼트의 길이 변화 또는 위성액적의 형성과정을 측정 및 분석할 수 있는 잉크방울의 거동 분석 시스템 및 분석 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 각각의 잉크방울에 대해서 최대 위치와 최소 위치를 시간에 따라 측정할 수 있는 잉크방울의 거동 분석 시스템 및 분석 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 관심영역 내에 존재하는 다수개의 잉크방울에 대해서도 거동 분석이 가능한 잉크방울의 거동 분석 시스템 및 분석 방법을 제공한다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울의 거동분석 시스템은, 제어신호를 생성하는 컨트롤러, 상기 제어신호에 기초한 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제1 트리거 펄스신호에서부터 일정 시간 지연되는 제2 트리거 펄스신호를 생성하는 펄스 발생기, 상기 제1 트리거 펄스신호에 기초하여 잉크 를 토출시키기 위한 파형을 생성하는 파형 발생기, 상기 제2 트리거 펄스신호에 의해 작동하는 조명부, 상기 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제2 트리거 펄스신호 간의 시간 차이에 해당하는 시간 동안 토출되는 잉크방울을 촬영하여 상기 잉크방울의 거동 이미지를 획득하는 이미지 획득부 및 상기 이미지 획득부에서 획득한 이미지를 나타내는 표시부를 포함한다.

여기서, 상기 이미지 획득부는 토출되는 잉크방울에 대한 관심영역을 설정하고, 상기 관심영역 안에 존재하는 모든 잉크방울의 최상점 및 최하점에 대한 이미지를 획득할 수 있다.

상기 이미지 획득부는 기설정된 문턱값을 이용하여 상기 관심영역 내의 이미지를 이진 이미지(binary image)로 만들 수 있다.

상기 펄스 발생기에서 발생되는 상기 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제2 트리거 펄스신호 사이의 시간 차이는 조절할 수 있다.

상기 이미지 획득부는 이진 이미지 (binary image)의 변환 후 입자 분석(particle analysis)에 의해서 상기 잉크방울의 거동 이미지를 획득할 수 있다.

상기 이미지 획득부에서 획득한 이미지를 이용하여 상기 잉크방울의 토출 과정 동안 일어나는 리거먼트(ligament) 길이의 변화, 위성액적(satellite droplet)의 형성 과정 또는 잉크방울의 체적을 구할 수 있다.

한편, 발명의 다른 분야에 의하면, 본 발명의 일 실시예는, 제1 트리거 펄스신호를 상기 프린터 헤드에 인가하는 단계, 상기 제1 트리거 펄스신호 보다 일정 시간 지연된 제2 트리거 펄스신호를 상기 조명부에 인가하는 단계, 상기 프린터 헤 드에서 토출되는 잉크방울의 이미지를 촬영하는 단계, 상기 촬영된 이미지를 저장하는 단계, 상기 저장된 이미지에 대해 관심영역(ROI)을 지정하는 단계, 상기 관심영역 내에 존재하는 다수개의 잉크방울을 대상으로 각각의 잉크방울에 대한 최상점 및 최하점을 구하는 이미지 프로세싱(image processing) 단계 및 상기 이미지 프로세싱 단계에서 구한 최상점 및 최하점을 이용하여 잉크 방울의 거동을 분석하는 단계를 포함하는 잉크 방울의 거동 분석 방법을 제공한다.

여기서, 상기 이미지 프로세싱 단계는 미리 설정된 문턱값(threshold)을 이용하여 상기 관심영역 내의 이미지를 이진 이미지(binary image)로 만들 수 있다.

상기 잉크방울의 최상점 및 최하점은 상기 이진 이미지 중 상기 잉크방울이 존재하는 영역 이미지의 최상 단점 및 최하 단점에 해당하는 픽셀 정보로부터 얻을 수 있다.

상기 잉크방울의 거동을 분석하는 단계는 상기 각각의 잉크방울의 최상점 및 최하점의 시간에 대한 위치 변화를 분석한다.

이 때 각 시간에 대한 위치를 구하기 위하여 LED 조명을 사용한 조명부의 시간을 온(on) 시키는 시점을 조절하여 잉크 방울 거동의 위치 정보를 구하게 된다. 이때의 LED조명의 on 시점은 토출 신호를 기준으로 하여 조절하며 각 step은 미리 정해진 시간 간격을 사용한다.

따라서 이를 이용하면 각 시점에 따른 잉크 방울의 거동을 알 수 있으므로 순간 속도 및 속도의 변화를 토출 거동에 따라서 구할 수 있다.

상기 각각의 잉크방울의 속도 또는 속도 변화는 상기 잉크방울의 토출 과정 동안 실시간으로 구해질 수 있다.

상기 잉크방울의 거동을 분석하는 단계는 상기 각각의 잉크방울의 토출 과정 동안 일어나는 리거먼트(ligament) 길이의 변화, 위성액적(satellite droplet)의 형성 과정, 잉크방울의 분리(break-off) 또는 합쳐짐 현상을 포함한 잉크방울의 거동을 실시간으로 분석할 수 있고, 상기 잉크방울의 최상점 및 최하점의 차이로부터 리거먼트의 길이 또는 잉크방울의 체적을 구할 수도 있다.

이와 같은 알고리즘은 소프트웨어적으로 자동으로 구현이 가능하여 사용자가 간단하게 토출 구동현상을 실시간으로 이해하는 것이 가능하다.

상기 관심영역은 일정한 면적을 가지는 형태로 설정될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 각각의 잉크방울의 최하점을 관심영역으로 지정할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 시스템 및 분석 방법은 입자 분석을 이용하여 토출된 잉크방울을 거동 특성을 실시간으로 분석할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 토출 과정 동안 얻어진 다수의 잉크방울에 대해서도 속도 변화 등 움직임 변화를 정확하게 분석할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 잉크방울의 토출 과정에서 생기는 리거먼트의 생성과정 및 길이 변화, 소멸 또는 부액적의 형성과정도 측정 및 분석할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 각각의 잉크방울에 대해서 최대 위치와 최소 위치를 이용하여 분석하기 때문에 복잡한 거동도 분석할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 여러 개의 잉크방울이 존재하는 경우에도 정확하게 잉크방울의 거동을 분석할 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울(Ink droplet)의 거동을 분석하기 위한 시스템(100)은 분석에 사용되는 잉크를 저장하는 잉크 저장부(115, ink reservoir), 잉크 저장부(115)에 저장된 잉크를 분사 또는 토출시키는 프린터 헤드(116), 프린터 헤드(116)에서 토출되는 잉크방울을 촬영하는 CCD 카메라(151), CCD 카메라(151)가 잉크방울을 촬영하는 순간 조명을 공급하는 LED(141), 프린터 헤드(116) 및 LED(141)의 작동 시점을 컨트롤 하거나 프린터 헤드(116)에 걸리는 배압(back pressure)을 조절하는 컨트롤러(110)를 포함할 수 있다. 이 때, 프린터 헤드(116)는 잉크를 분사시키기 위한 노즐(미도시)을 구비할 수 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)은 프린터 헤드(116)의 노즐에서 분사되는 잉크방울의 거동 상태를 관찰할 수 있는 모니터링 광학계가 프린터 헤드(116)와 연동하여 실시간으로 분사 상황을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 시스템(100)은 스트로브(strobe) LED방식에 따라 분사되는 잉크방울에 섬광 내지 조명을 주고, 이 때 CCD카메라(151)로 잉크방울을 촬영한다. 사용 가능한 카메라로는 여러 종류가 있을 것이나, CCD 카메라(charge-coupled device camera, CCD camera) 즉, 디지털 카메라의 하나로 전하 결합 소자 CCD를 사용하여 영상을 전기 신호로 변환함으로써 디지털 데이터로 플래시 메모리 등의 기억 매체에 저장하는 장치인 것이 바람직하다.

한편, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 시스템(100)의 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 시스템(100)은 제어신호를 생성하는 컨트롤러(110), 컨트롤러(110)의 제어신호에 기초한 제1 트리거 펄스신호(121, first trigger pulse signal) 및 제1 트리거 펄스신호(121)에서부터 일정 시간 지연(time delay)되는 제2 트리거 펄스신호(123, second trigger pulse signal)를 생성하는 펄스 발생기(120, pulse generator), 제1 트리거 펄스신호(121)에 기초하여 잉크를 토출시키기 위한 전압파형(voltage waveform)을 생성하는 파형 발생기(130, waveform generator), 제2 트리거 펄스신호(123)에 의해 작동하는 조명부(140), 제1 트리거 펄스신호(121) 및 제2 트리거 펄스신호(123) 간의 시간 차이에 해당하는 시간 동안 토출되는 잉크방울을 촬영하여 잉크방울의 거동 이미지를 획득하는 이미지 획득부(150) 및 이미지 획득부(150)에서 획득한 이미지를 나타내는 표시부(160)를 포함한다.

이미지 획득부(150)는 토출되는 잉크방울에 대한 관심영역(ROI; Region of Interest)을 설정하고, 관심영역 안에 존재하는 모든 잉크방울의 최상점 및 최하점에 대한 이미지를 획득하고 실시간으로 분석할 수 있다.

컨트롤러(110)는 잉크 저장부(115) 또는 프린터 헤드(116)의 노즐에 가해지는 압력을 조절할 수 있다. 프린터 헤드(116)의 노즐에는 일정 정도의 음의 압력이 걸려야 하는데, 이를 위하여 잉크 저장부(115)의 높이를 이용하여 노즐의 압력을 제어할 수 있다. 컨트롤러(110)는 프린터 헤드(116)의 노즐 높이에 비해서 잉크 저장부(115)의 잉크의 높이를 낮게 하여, 약간의 음의 압력이 걸리도록 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(110)는 프린터 헤드(116)의 메인터넌스(maintenance)를 위해 공기 압력으로 잉크를 밀어내는 퍼지(purge)를 수행하도록 제어할 수도 있다.

한편, 전자 재료 토출을 위한 잉크 즉, 비접촉 패터닝 기술에 사용되는 잉크의 토출 헤드로는 피에조(piezo) 방식을 많이 사용할 수 있다. 피에조 방식의 잉크젯 프린터 헤드(116)의 토출 특성을 제어하기 위해서는 적절한 입력 파형의 전압을 인가해 주어야 한다. 이러한 입력 파형은 파형발생기(130)에서 만들어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 사용하고 있는 입력 파형은 사다리꼴 모양의 파형이며, 상승 및 하강 시간(rising/falling time)과 휴지 시간(dwell time)으로 이루어진다. 이러한 입력 파형은 토출되는 잉크의 특성에 따라 적당한 모양의 파형이 인가되어야 한다.

입력 파형은 파형 발생기(130)에 인가되는 외부 트리거 신호에 의해 발생될 수 있다. 트리거 신호는 펄스 발생기(120)에서 만들어질 수 있다. 펄스 발생 기(120)는 2개의 디지털 펄스 신호를 생성하는데, 1개는 기준 펄스로 토출을 위한 트리거 신호로 사용되며, 토출 트리거 펄스 신호의 주파수 조절이 가능하다. 이 주파수에 의해 토출 주파수가 결정될 수 있다.

다른 1개의 펄스 신호는 토출 트리거 펄스 신호로부터 시간 지연(time delay)을 조절할 수 있도록 생성된 트리거 펄스 신호이며, 이는 조명부(140)의 LED 드라이버(142)에 인가되어 LED(141)의 점등을 제어할 수 있다.

다시 말하면, 펄스 발생기(120)는 제1 트리거 펄스신호(121) 및 제2 트리거 펄스신호(123)를 발생시키며, 제2 트리거 펄스신호(123)는 제1 트리거 펄스신호(121)에 비하여 일정 시간 지연된 상태로 생성된다. 도 2를 참조하면, 제2 트리거 펄스신호(123)는 제1 트리거 펄스신호(121) 보다 일정시간 지연됨을 알 수 있다.

여기서, 제1 트리거 펄스신호(121)는 파형 발생기(130)로 인가되어 프린터 헤드(116)에 인가될 입력 파형의 전압을 생성시키며, 제2 트리거 펄스신호(123)는 조명부(140)의 LED 드라이버(142)에 인가되어 LED(141)의 점등을 제어한다.

LED(141)를 위한 제2 트리거 펄스신호(123)의 시간 지연을 조절하여 잉크가 토출되는 과정에서 마치 정지한 것처럼 CCD 카메라(151)에 의해 잉크방울이 촬영될 수 있다.

이 때, 제2 트리거 펄스신호(123)의 지연 시간을 조절함으로써 여러 개의 토출 시점에 대한 잉크방울을 촬영하여 이미지를 획득할 수 있으며, 획득한 이미지에 기초하여 잉크방울의 거동 특성을 실시간으로 분석할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 획득부(150)에서는 입자 분석 내지 파티클 분석(Particle analysis)의 원리를 이용하여, 모든 잉크방울의 위치, 위성액적(satellite)의 위치, 리거먼트(ligament)의 길이 또는 생성 과정 등을 모두 분석할 수 있다.

이를 위해, 이미지 획득부(150)에서는 수많은 토출 시점을 사용하여 얻은 각각의 잉크방울의 상한 위치 및 하한 위치를 구하고, 이를 시점의 차이에 대해서 속도를 구함으로써, 속도의 변화, 리거먼트의 거동 현상 등을 실시간으로 분석 내지 측정할 수 있다.

본 출원인은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 이러한 이미지 프로세싱을 위한 소프트웨어를 개발했으며, 표시부(160)에 나타나는 소프트웨어의 화면들을 예시적으로 도 3 내지 도 5에 도시하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울 거동 분석 시스템의 화면의 일 예시를 도시한 것으로, 프린터 헤드(116)에서 토출된 잉크방울에 리거먼트(ligament)가 있는 경우를 분석하기 위한 소프트웨어의 출력 화면으로, 표시부(160)에 나타나게 된다.

도 3을 참조하면, 토출잉크(ID, ink droplet)의 이미지 및 관심영역(ROI)가 표시되는 이미지 디스플레이부(161), 잉크방울의 체적(volume)을 계산하여 표시하는 부분(162), 분석의 진행 정도(progress)를 표시하는 부분(163), 분석의 시작시간(start time), 종료시간(end time), 시간증분(increasement) 등이 표시되는 부분(164), 분석의 시작(start) 및 종료(stop), 그리고 데이터 저장(save data) 등을 선택할 수 있는 부분(165) 등을 포함할 수 있다.

또한, 시간에 따른 잉크방울의 위치를 실시간으로 보여주는 그래프(166), 시간에 따른 잉크방울의 속도를 실시간으로 보여주는 그래프(167)도 표시된다.

여기서, 시작시간, 종료시간, 시간증분은 미리 설정된 값을 적용할 수도 있고, 사용자가 직접 선택할 수도 있다.

이미지 디스플레이부(161)를 보면, 직사각형 모양의 관심영역(ROI)이 표시되어 있는데, 관심영역(ROI)은 사용자가 직접 설정할 수도 있고 미리 정해진 프로그램에 의해 결정될 수도 있다. 관심영역(ROI)은 직사각형 뿐만 아니라 정사각형, 원형 등 일정한 면적을 가지는 모양이라면 어떤 것이라도 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 관심영역을 별도로 지정하지 않고 잉크방울의 최하단에서부터 차례로 잉크방울을 정의하면서 잉크방울의 거동을 분석할 수도 있다.

도 3에 표시된 관심영역(ROI) 안을 참조하면, 잉크방울(ID)인 부분과 잉크방울이 아닌 부분으로만 구별됨을 알 수 있다. 이는 이미지 획득부(150)에서 관심영역(ROI) 내에 존재하는 모든 이미지에 대해 설정된 문턱값을 적용하여 이진 이미지(binary image)로 변환하는 과정을 거친 결과이다.

예를 들면, CCD 카메라(151)를 통하여 획득한 흑백의 이미지는 각 픽셀(pixel)의 밝기에 따라 0~255까지의 값을 갖는다. 잉크방울의 이미지는 배경에 비해서 어둡기 때문에 문턱값(threshold)을 사용하여 특정 값 보다 큰 값은 1로 하고 작은 값을 O으로 만들어서 이진 이미지를 얻을 수 있고, 이를 이용하여 잉크의 이미지와 배경의 이미지를 분리할 수 있다. 잉크방울에 해당하는 이진 이미지 또 는 이진 영상을 사용하면, 잉크의 중심 위치, 최상단/최하단 위치, 잉크에 해당하는 면적 등을 얻을 수 있다. 여기서, 문턱값은 사용자가 정할 수 있을 뿐만 아니라, 미리 정해진 프로그램에 의해 정해질 수도 있다.

한편, CCD 카메라(151)의 전체 이미지에는 잉크 방울 뿐만 아니라 프린터 헤드(116)의 일부 등 다른 구조물이 포함될 수 있다. 따라서, 전체 이미지를 분석하면 잉크방울과 함께 있는 모든 구조물을 분석 후에 분리해야 하는데, 잉크가 제팅(jetting)되는 부분에 관심영역(ROI)을 설정하여 사용한다면 관심영역으로 설정된 부분에서만 이미지를 처리하면 되므로 처리 시간을 줄일 수 있고, 다른 구조물을 분석하여 분리할 필요가 없게 된다.

도 3에서, 관심영역(ROI) 내의 잉크방울(ID)을 보면 아래 쪽의 메인 잉크방울의 뒤쪽으로 길게 연결된 부분이 있음을 알 수 있는데, 이 부분이 리거먼트(ligament)이다. 관심영역(ROI) 내에 있는 잉크방울의 최상점(H) 및 최하점(L)을 구하고, 이를 이용하여 잉크방울의 거동을 실시간으로 분석할 수 있다. 이 때, 최상점(H) 및 최하점(L)은 잉크방울(ID)이 존재하는 영역 이미지의 최상 단점 및 최하 단점에 해당하는 픽셀(pixel) 정보로부터 얻을 수 있다.

또한, 관심영역(ROI) 내에 존재하는 잉크방울이 여러 개인 경우에도 각각의 잉크방울에 대해 최상점 및 최하점을 구하여 각각의 잉크방울에 대한 거동을 실시간으로 분석할 수 있다.

도 3에서 잉크방울의 위치를 표시하는 그래프(166)를 참조하면, 2개의 데이터가 표시되어 있음을 볼 수 있다. 아래쪽에 있는 데이터는 잉크방울의 최하점(L) 의 위치에 해당하는 것이고, 위쪽에 있는 데이터는 최상점(H)의 위치에 해당하는 데이터이다. 그래프에서 가로축은 시간(마이크로 초, ㎲)이고 세로축은 진폭(㎛)을 나타낸다. 진폭은 잉크방울이 프린트 헤드에서부터 낙하한 거리라고 할 수 있다.

그래프를 보면, 약 40마이크로 초까지는 최상점 및 최하점 모두 진폭이 0임을 알 수 있는데, 이는 잉크방울이 아직 프린터 헤드에서 분사되지 않은 상태임을 의미한다. 약 40마이크로 초 이후에는 아래쪽에 있는 데이터가 나타나기 시작하는데, 이는 잉크방울의 최하점(L)이 계속 낙하하는 상태임을 보여준다. 대략 130마이크로 초 정도가 경과한 시점에서부터 위쪽에 있는 데이터가 나타나는데, 이 시점부터 잉크방울의 최상점도 프린터 헤드에서 완전히 분사되었음을 알 수 있다. 또한, 동일 시간에 대하여 아래쪽 데이터와 위쪽 데이터의 차이에 해당하는 길이가 리거먼트의 길이에 해당한다.

한편, 잉크방울의 속도를 실시간으로 나타내는 그래프(167)를 보면, 잉크방울의 최하점이 나타난 시점부터의 속도 및 속도 변화를 실시간으로 보여주고 있다. 잉크방울의 속도는 경과 시간과 이 시간 동안 잉크방울의 최하점이 낙하한 거리로부터 간단히 구할 수 있다.

만약, 잉크방울의 모양이 구(球)라고 가정한다면, 최상점과 최하점 사이의 거리가 지름에 해당할 것이므로, 이로부터 잉크방울의 체적 내지 부피도 계산할 수 있다. 이러한 분석작업을 LED(141)가 켜지는 시간을 조절하면서 반복적으로 수행할 수 있다.

다음으로, 도 4는 리거먼트가 소멸하면서 1개의 완전한 잉크방울로 형성되는 과정의 거동 분석을 보여주는 화면이다.

도 4의 이미지 디스플레이부(161)를 보면, 관심영역(ROI) 내에는 1개의 잉크방울(ID)이 있는데, 이는 리거먼트가 소멸되어 1개의 완전한 잉크방울이 된 상태라고 할 수 있다. 이러한 과정은 도 4의 우측에 있는 그래프(166',167')에서 확인할 수 있다.

시간에 따른 잉크방울의 진폭 즉, 위치를 나타내는 그래프(166')에 의하면, 아래쪽 데이터와 위쪽 데이터를 3개의 시간 구간으로 나누어 비교할 수 있다.

a구간에서는 아래쪽 데이터(리거먼트의 최하점)만 존재하는데, 잉크방울이 헤드에서 분사된 상태이며 리거먼트가 헤드에서 분리되기 전의 상태라고 할 수 있다. 이 상태에서는 최하점의 위치만 존재하기 때문에 최하점의 위치만 그래프에 표시된다. 속도 그래프(167')에 의하면, 시간이 경과함에 따라 속도가 감소됨(A구간 참조)을 알 수 있는데, 이는 잉크의 최상단이 헤드에서 완전히 분리된 상태가 아니고, 헤드가 잉크를 잡아 당기는 듯한 영향이 있기 때문이다.

b구간에서는 아래쪽 데이터와 위쪽 데이터가 모두 존재하며, 이 구간에서는 리거먼트가 헤드로부터 완전히 분리하였다. 이 구간에 해당하는 잉크방울의 상태를 보면 리거먼트의 끝단에 해당하는 최상점도 헤드에서 완전히 토출되어 낙하함을 알 수 있다. 여기서, 위쪽 데이터와 아래쪽 데이터의 차이에 해당하는 값이 리거먼트의 길이라고 할 수 있다. 그래프(166')에 의하면, b 구간 내에서 시간이 경과함에 따라 리거먼트의 길이가 짧아짐을 알 수 있다. B 구간에서의 속도는 리거먼 트의 최하단의 속도이고, B구간의 속도의 감소량은 A구간에 비해 줄어들었음을 알 수 있다.

c 구간에서는 아래쪽 데이터와 위쪽 데이터(리거먼트의 최하점 및 최상점)가 거의 근접함을 알 수 있는데, 이는 리거먼트가 사라지고 완전한 1개의 잉크방울이 되었기 때문이다. 완전한 1개의 잉크방울이 된 상태에서는 B 구간에 비해서 C 구간에서의 낙하속도가 증가함을 그래프를 통해 알 수 있다. 이것은 리거먼트의 꼬리의 속도가 빨라서 합쳐지면서 최하점의 속도가 상승함에서 기인한다. 또한 이 이후에는 속도가 일정하게 진행이 된다. 따라서 리거먼트의 길이의 변화 및 잉크 방울의 상태에 따른 현상을 이해하는데 도움이 된다.

도 4에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에서는 리거먼트의 생성, 길이의 변화, 소멸 등의 과정을 실시간으로 분석할 수 있다.

마지막으로 도 5는 위성액적(satellite)이 존재하는 경우 잉크방울의 거동을 분석하는 예를 보여주는 화면이다. 잉크 및 토출 상태에 따라서 위성 액적 및 리거먼트 거동이 달라지므로 이를 분석하는 것이 필요하다.

도 5의 이미지 디스플레이부(161)를 보면, 관심영역(ROI) 내에 2개의 잉크방울이 존재함을 알 수 있는데, 위성 액적이 존재하는 경우이다.

위성 액적이 존재하는 경우에 있어서 잉크방울의 위치를 분석한 그래프(168)를 보면, 이해를 돕기 위해 3개의 구간으로 표시하였다.

우선 d구간에서는 위쪽 데이터는 존재하지 않고 대부분 아래쪽 데이터만 존재함을 알 수 있다. 이는 잉크방울의 최하점은 헤드를 벗어났지만, 최상점은 아직 헤드에서 완전히 토출된 상태가 아니고 최하점과 최상점이 리거먼트의 형태로 연결되어 있기 때문이다. 이 상태에서 최하점의 속도는 감소함을 볼 수 있다. 왜냐하면, 최상점이 아직 헤드에 붙어 있기 때문에 잉크방울의 최하점도 자유롭게 낙하할 수 없기 때문이다.

e 구간에서는 4개의 데이터가 존재함을 볼 수 있다. 이는 메인 잉크방울에 관한 2개의 데이터와 위성액적에 관한 2개의 데이터이다. 최하점에 해당하는 메인 액적은 거의 하나의 완전한 방울을 형성한 상태로 낙하하고 있으며, 최상점에 해당하는 위성액적 잉크방울은 리거먼트가 생성된 상태로 낙하하고 있다. 따라서, e 구간에는 위성액적의 위치, 리거먼트가 있는 메인 잉크방울의 위치가 모두 표시되어 있다. 이 구간에서의 메인 (main)액적의 속도는 거의 일정하며, 리거먼트로 인해 위성 방울의 속도는 메인 액적의 속도 보다 작음을 알 수 있다.

f 구간에서는 위성 잉크방울의 리거먼트가 소멸되면서 완전한 1개의 잉크방울로 되어 낙하하는 상태이다. 즉, f 구간에서는 2개의 잉크방울(위성액적과 메인 잉크방울)이 낙하하는 상태이다. 완전한 잉크 방울을 형성 후에는 잉크의 토출 속도는 거의 일정하게 유지가 되며 메인 잉크 방울의 속도는 위성 액적의 속도보다 빠르게 토출됨을 분석할 수 있다(그래프 169의 D, E, F 구간 참조).

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 위성액적이 존재하는 경우에도 잉크방울의 거동을 실시간으로 분석할 수 있다. 잉크의 실시간 속도, 잉크의 리거먼트의 길이, 잉크 액적의 크기등을 실시간으로 분석 함으로서 토출 현상을 보다 근본적으로 이해하는 것이 가능하다.

도 3 내지 도 5에는 이진 이미지(binary image)로 변환 후에 입자 분석(particle analysis)에 의한 방법에 근거하여 잉크방울의 거동을 실시간으로 분석하는 화면을 예시적으로 도시하였다.

이하에서는 잉크방울의 거동을 분석하는 방법에 대해서 살펴 본다. 도 6은 도 1에 따른 시스템에 의해 잉크방울의 거동을 분석하는 방법을 도시한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 방법은 펄스발생기(120)에서 발생한 제1 트리거 펄스신호(121)를 프린터 헤드(116)에 인가하는 단계(1100), 제1 트리거 펄스신호(121) 보다 일정 시간 지연된 제2 트리거 펄스신호(123)를 조명부(140)에 인가하는 단계(1200), CCD 카메라(151)를 이용하여 프린터 헤드(116)에서 토출되는 잉크방울의 이미지를 촬영하는 단계(1300), 촬영된 이미지를 저장하는 단계(1400), 저장된 이미지에 대해 관심영역(ROI)을 지정하는 단계(1500), 관심영역 내에 존재하는 다수개의 잉크방울을 대상으로 각각의 잉크방울에 대한 최상점 및 최하점을 구하는 이미지 프로세싱(image processing) 단계(1600) 및 이미지 프로세싱 단계에서 구한 최상점 및 최하점을 이용하여 잉크방울의 거동을 분석하는 단계(1700)를 포함할 수 있다.

여기서, 단계 1400 내지 1700은 이미지 획득부(150)에서 수행될 수 있다.

한편, 이미지 프로세싱 단계(1600)는 미리 설정된 문턱값(threshold)을 이용하여 관심영역(ROI) 내의 이미지를 이진 이미지(binary image)로 만드는 것을 수행할 수 있다.

잉크방울의 최상점(H) 및 최하점(L)은 이진 이미지 중 잉크방울이 존재하는 영역 이미지의 최상 단점 및 최하 단점에 해당하는 픽셀 정보로부터 구할 수 있다.

또한, 잉크방울의 거동을 분석하는 단계(1700)는 각각의 잉크방울의 최상점 및 최하점의 시간에 대한 위치 변화를 분석하여, 각각의 잉크방울의 속도 또는 속도 변화를 구할 수 있다. 이 때, 각각의 잉크방울의 속도 또는 속도 변화는 잉크방울의 토출 과정 동안 실시간으로 구할 수 있다.

뿐만 아니라, 잉크방울의 거동을 분석하는 단계(1700)는 각각의 잉크방울의 토출 과정 동안 일어나는 리거먼트(ligament) 길이의 변화, 위성액적(satellite droplet)의 형성 과정, 잉크방울의 분리(break-off) 또는 합쳐짐 현상을 포함한 잉크방울의 거동을 실시간으로 분석할 수도 있다.

또한, 잉크방울의 최상점 및 최하점의 차이로부터 리거먼트의 길이 또는 잉크방울의 체적을 구할 수도 있다.

여기서, 관심영역은 일정한 면적을 가지는 형태로 설정될 수도 있고, 각각의 잉크방울의 최하점을 관심영역으로 지정할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되 어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 잉크방울의 거동 분석 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1에 따른 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서 촬영된 잉크방울의 이미지 및 거동을 분석하기 위한 프로그램화된 화면을 나타내는 예시도이다.

도 6은 도 1에 따른 시스템에 의해 잉크방울의 거동을 분석하는 방법을 도시한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 잉크방울 거동 분석 시스템 110: 컨트롤러

120: 펄스 발생기 130: 파형 발생기

140: 조명부 150: 이미지 획득부

160: 표시부 ROI: 관심영역

ID: 잉크방울

Claims

제어신호를 생성하는 컨트롤러;

상기 제어신호에 기초한 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제1 트리거 펄스신호에서부터 일정 시간 지연되는 제2 트리거 펄스신호를 생성하는 펄스 발생기;

상기 제1 트리거 펄스신호에 기초하여, 잉크를 토출시키기 위한 파형을 생성하는 파형 발생기;

상기 제2 트리거 펄스신호에 의해 작동하는 조명부;

상기 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제2 트리거 펄스신호 간의 시간 차이에 해당하는 시간 동안 토출되는 잉크방울을 촬영하여 상기 잉크방울의 거동 이미지를 획득하는 이미지 획득부; 및

상기 이미지 획득부에서 획득한 이미지를 나타내는 표시부;를 포함하며,

상기 이미지 획득부는 토출되는 잉크방울에 대한 관심영역을 설정하고, 상기 관심영역 안에 존재하는 모든 잉크방울의 최상점 및 최하점에 대한 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 시스템.
제1항에 있어서,

상기 이미지 획득부는,

기설정된 문턱값을 이용하여 상기 관심영역 내의 이미지를 이진 이미 지(binary image)로 만드는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 시스템.
제1항에 있어서,

상기 펄스 발생기에서 발생되는 상기 제1 트리거 펄스신호 및 상기 제2 트리거 펄스신호 사이의 시간 차이는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이미지 획득부는 이진 이미지 (binary image)의 변환 후 입자 분석(particle analysis)에 의해서 상기 잉크방울의 거동 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 시스템.
제4항에 있어서,

상기 이미지 획득부에서 획득한 이미지를 이용하여 상기 잉크방울의 토출 과정 동안 일어나는 리거먼트(ligament) 길이의 변화, 위성액적(satellite droplet)의 형성 과정에 걸친 속도 변화, 각 위성 액적의 속도 변화 또는 잉크방울의 체적을 구하는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 시스템.
제4항에 따른 잉크 방울의 거동 분석 시스템을 이용하여 잉크방울의 거동을 분석하는 방법에 있어서,

제1 트리거 펄스신호를 상기 프린터 헤드에 인가하는 단계;

상기 제1 트리거 펄스신호 보다 일정 시간 지연된 제2 트리거 펄스신호를 상기조명부에 인가하는 단계;

상기 프린터 헤드에서 토출되는 잉크방울의 이미지를 촬영하는 단계;

상기 촬영된 이미지를 저장하는 단계;

상기 저장된 이미지에 대해 관심영역(ROI)을 지정하는 단계;

상기 관심영역 내에 존재하는 다수개의 잉크방울을 대상으로 각각의 잉크방울에 대한 최상점 및 최하점을 구하는 이미지 프로세싱(image processing) 단계; 및

상기 이미지 프로세싱 단계에서 구한 최상점 및 최하점을 이용하여 잉크방울의거동을 분석하는 단계;

를 포함하는 잉크 방울의 거동 분석 방법.
제6항에 있어서,

상기 이미지 프로세싱 단계는,

미리 설정된 문턱값(threshold)을 이용하여 상기 관심영역 내의 이미지를 이진 이미지(binary image)로 만드는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.
제7항에 있어서,

상기 잉크방울의 최상점 및 최하점은,

상기 이진 이미지 중 상기 잉크방울이 존재하는 영역 이미지의 최상 단점 및 최하 단점에 해당하는 픽셀 정보로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.
제6항에 있어서,

상기 잉크방울의 거동을 분석하는 단계는,

상기 각각의 잉크방울의 최상점 및 최하점의 시간에 대한 위치 변화를 분석하여, 상기 각각의 잉크방울의 속도 또는 속도 변화를 구하는 것을 특징으로 하는 잉크 방울의 거동 분석 방법.
제9항에 있어서,

상기 각각의 잉크방울의 속도 또는 속도 변화는 상기 잉크방울의 토출 과정 동안 실시간으로 구해지는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.
제6항에 있어서,

상기 잉크방울의 거동을 분석하는 단계는,

상기 각각의 잉크방울의 토출 과정 동안 일어나는 리거먼트(ligament) 길이의 변화, 부액적(satellite droplet)의 형성 과정, 잉크방울의 분리(break-off) 또는 합쳐짐 현상을 포함한 잉크방울의 거동을 실시간으로 분석하는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.
제9항에 있어서,

상기 잉크방울의 최상점 및 최하점의 차이로부터 리거먼트의 길이 또는 잉크방울의 체적을 구하는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.
제9항에 있어서,

상기 관심영역은 일정한 면적을 가지는 형태로 설정되는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.
제9항에 있어서,

상기 관심영역을 지정하는 단계는 상기 각각의 잉크방울의 최하점을 관심영역으로 지정하는 것을 특징으로 하는 잉크방울의 거동 분석 방법.