KR20170010530A - 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판 - Google Patents

메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카트리지에 필요로 하는 메탈 잉크를 수용시키고 노즐의 헤드를 회전시키면서 노즐을 통해 강판 상에 메탈잉크를 분사하여 강판에 합금을 도금하는 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판에 관한 것으로서, 메탈 잉크를 수용하는 다수개의 헤드; 상기 헤드의 하부에 구성되며 상기 헤드에 수용된 메탈잉크를 분사하는 노즐; 상기 헤드 및 상기 노즐을 회전시키는 스핀들 모터; 상기 헤드 및 상기 노즐을 전진시키는 리니어모터; 및 상기 스핀들 모터 및 상기 리니어모터의 속도를 제어하며 상기 헤더를 제어하여 상기 노즐을 통해 메탈잉크의 분사 여부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되어 카트리지에 메탈잉크를 충진하고 이를 회전시켜 강판상에 도포한 후, 이를 히팅하여 상기 강판 위에 메탈금속층을 형성시키므로 점착성이 우수하며 일정한 두께의 금속층을 형성시키고 또는 일정한 두께의 합금층을 형성시키는 효과가 있다.

Description

메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판{APPARATUS, METHOD AND METAL INK COATED STEEL PLATE FOR METAL INK PRINTING}
본 발명은 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 카트리지에 메탈 잉크를 수용시키고 노즐의 헤드를 회전시키면서 노즐을 통해 강판 상에 메탈잉크를 분사하여 강판에 합금을 도금하는 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판에 관한 것이다.
철강제품은 대량 생산에 의해 경제성이 뛰어나고 기계적 성질도 매우 우수한 재료로서 제반 산업 분야에서 널리 사용되고 있으나, 스텐레스 등 일부 특수강을 제외하고는 부식 환경에 취약한 약점을 가지고 있으며, 각종 표면처리 기술을 활용하여 방청성을 강화하게 된다. 최근에는 방청성 강화는 물론 외관성 향상, 윤활성 부여, 전자파장애 제거 등 다양한 기능이 요구되는 추세로서 기존의 고도화와 더불어 신제품, 신기술 개발이 매우 활발한 분야이다.
철강 제품의 표면처리 기술은 박판을 중심으로 하는 강판에의 표면처리, 형강 및 강관에의 도장처리, 강구조물의 중방식 처리 등 적용 분야와 방법이 다양하다. 그 뿐만 아니라 1차 철강 제품이 수요산업 즉, 자동차, 가전, 건축, 각종 용기류, 선재류 제조업체에서도 표면처리가 필수적인 경우가 많으며, 철강 제품의 표면처리 의존도는 여타 재료에 비해 훨씬 높다고 할 수 있다.
표면처리 기술은 크게는 산세, 전해청정, 전해연마, 에칭(Etching) 등과 같이 표면을 세정하거나 마무리하는 분야와 전기도금, 용융도금, 무전해도금, 도장처리 등과 같이 각종 피막을 형성시키는 분야로 나눌 수 있으며, 협의적으로는 후자를 말하는 경우가 많다. 피막 물질은 금속, 산화물, 질화물 등의 무기물과 각종 수지 및 도료를 이용하는 유기물로 나눌 수 있다. 무기물 피복 방법으로는 전술한 것외에 기상도금 (Vapor phase deposition), 플레임 스프레잉(Flame spraying) 등이 있으며, 유기물 피복 방법으로는 Spray, Roll coating, 전착도장, 분체도장 등이 있다.
용융도금은 철강제품에 많이 활용되는 대표적인 기술로서 강판, 강관, 선재 등의 도금에 사용된다. 전기도금은 피도금체의 형체에 따라 랙 도금(Rack plating), 바렐 도금(Barrel plating), 릴투릴(Reel-to-reel), 연속 스트림 도금(Continuous strip plating), 브러시 도금(Brush plating) 등 다양한 방법이 적용되고 있다. 무전해도금(electroless plating)은 외부 전원 공급 없이 도금액에 환원제를 첨가하여 도금하는 방법으로 전자 부품의 구리(Cu), 니켈(Ni) 도금에 많이 적용된다. 기상도금에는 진공증착, 이온 도금(Ion plating), 화학기상증착(Chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 화학기상증착(Plasma-assisted CVD), 스퍼터링(Sputtering) 등의 기술이 개발되어 있다.
이렇게 최근 산업분야 특히 철강 분야에서 표면처리기술을 이용한 도금이 점점 발전되어 가고 있는 추세다. 미국을 중심으로 한 유럽 여러 선진국에서뿐만 아니라, 일본을 비롯한 아시아에서도 새로운 표면처리기술 개발로 인하여 기술 산업 전반에 있어서 비약적인 발전의 원동력이 되고 있으며, 더 나아가 표면처리강판에 관한 연구 기술 개발이 세계적으로 활발히 진행 중에 있다.
특히, 도장법은 철강 표면을 청정하게 한 다음 액상의 방수도료를 고화(固化)시키는 방법으로서 유성도료에는 보일유(boil oil), 역청(bitumen) 아스팔트(asphalt) 및 콜타르(coaltar), 페놀(phenol) 수지 등이 있다. 그러나, 이와 같은 유성도료는 철강의 특성과 차이가 있어, 기온차에 의한 인장 등에 의해 들뜸 현상 등이 발생한다.
용융도금은 토목, 건축뿐만 아니라 자동차 및 전기설비 등 여러 산업분야로 확대하여 사용되고 있다. 내식성이 뛰어날 뿐만 아니라 성형성, 용접성, 도장성 등이 매우 우수하다. 금속가구, 가전제품 내외판, 도장강판 소재, 자동차 내판, 연료탱크 등으로 사용된다. 그러나, 용융도금은 합금의 두께가 두꺼운 단점이 있다.
전기도금은 도장성과 내식성, 용접성, 가공성이 매우 우수한 것이 특징이다. 전기도금강판은 자동차, 가전기기 부문에서 널리 쓰여지며, 최근에는 건축내장재와 금속가구의 소재로 각광을 받고 있다. 가전기기 내외판, 도장강판, 건축 내외장재 금속가구, 승용차 내외판에 사용된다. 그러나, 강판의 대량 설비에 적합하며 수직이송 수평 이송 등 설비가 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 카트리지에 메탈잉크를 충진하고 이를 회전시켜 강판상에 도포한 후, 이를 히팅하여 상기 강판 위에 메탈금속층을 형성시키므로 점착성이 우수한 금속층을 형성시키는 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 메탈 카트리지를 다수개 구성하고 각 카트리지에 다수 종류의 메탈잉크를 충진하여 강판 상에 도포한 후 이를 히팅시키므로 상기 강판에 일정한 두께의 합금을 코팅시키는 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 메탈잉크 프린팅 장치는, 메탈 잉크를 수용하는 다수의 헤드; 상기 헤드의 하부에 구성되며 상기 헤드에 수용된 메탈잉크를 강판(steel plate) 상에 분사하는 노즐; 상기 헤드 및 상기 노즐을 회전시키는 스핀들 모터; 상기 헤드 및 상기 노즐을 전진시키는 리니어모터; 및 상기 스핀들 모터 및 상기 리니어모터의 속도를 제어하며 상기 헤더를 제어하여 상기 노즐을 통해 메탈잉크의 분사 여부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 다수의 헤드는, 1개 이상의 성분의 메탈을 상기 각각의 헤드에 수용할 수 있다.
상기 메탈잉크 프린팅 장치는, 상기 강판을 이송하는 이송수단; 및 상기 이송수단에 의해 이송된 상기 강판을 가열시켜 상기 메탈잉크를 소결시키는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 스핀들 모터에 입력되는 전압의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하여 상기 스핀들 모터의 속도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 리니어 모터에 입력되는 전압의 펄스폭변조를 이용하여 상기 리니어 모터의 속도를 조절할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 메탈잉크 프린팅 방법은, 상기 사용자가 설정한 합금 비율에 대응하여 상기 노즐의 개방을 제어하는 단계; 노즐에 의해 분사되는 메탈잉크들의 헤더를 회전시키면서 강판(steel plate) 상에 상기 메탈잉크를 분사시키는 단계; 상기 메탈잉크가 도포된 강판을 이송시키는 단계; 및 상기 강판을 가열시켜 상기 메탈잉크를 소결시키는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 메탈잉크 프린팅 방법은, 상기 제어하는 단계 이전에, 상기 스핀들 모터 및 상기 리니어 모터 중 적어도 어느 하나에 입력되는 전압의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하여 상기 스핀들 모터 및 상기 리니어 모터 중 적어도 어느 하나의 속도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 메탈잉크 코팅 강판은, 금속 강판 상에 전술한 방법을 이용하여 메탈잉크를 도포하여 구성된다.
본 발명에 따른 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판은 카트리지에 메탈잉크를 충진하고 이를 회전시켜 강판상에 도포한 후, 이를 히팅하여 상기 강판 위에 메탈금속층을 형성시키므로 점착성이 우수하며 일정한 두께의 금속층을 형성시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판은 강판위에 사용분야에 따라 내식성, 내마모성, 내열성과 같은 다양한 특성을 가지는 합금층을 형성시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판은 잉크젯 프린터장비에 충진되어 사용되기 때문에 다수의 노즐을 사용한 넓은 코팅면 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판은 잉크젯 프린터장비에 충진되어 사용되기 때문에 자동화 공정을 통한 높은 생산성을 보장하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판은 잉크젯 프린터장비에 충진되어 사용되기 때문에 다수의 노즐을 사용하여 다양한 합금층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈잉크 프린팅 장치, 방법 및 메탈잉크 코팅 강판은 잉크젯 프린터장비에 충진되어 사용되기 때문에 코팅층의 두께는 분사되는 잉크량과 리니어 모터의 속도 및 다층공정 등을 이용하여 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 메탈잉크 프린팅 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 메탈잉크를 프린팅하는 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메탈잉크 프린팅하는 과정을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈잉크를 프린팅하여 프린팅된 강판을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 메탈잉크 프린팅 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 메탈잉크를 프린팅하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명은 크게 헤드(120), 노즐(110), 스핀들 모터(130), 리니어 모터(140), 이송수단(150), 히터(160) 및 제어부(170)로 구성된다.
헤드(120)는 메탈 잉크를 수용하는 카트리지를 포함하는 구성이며 제어부(170)의 제어에 따라 노즐(110)의 개폐를 제어한다. 도 1에는 10개의 헤드(120)가 구성되어 있으며, 각 헤드(120)에는 A금속의 메탈잉크와 B금속의 메탈잉크를 3:7의 비율로 수용한 상태를 나타낸다. 그러나, 운용자의 선택에 따라 각각의 헤드(120)에 A금속의 메탈잉크, B금속의 메탈잉크 및 C금속의 메탈잉크를 각각 3:3:4의 비율로 수용한 상태에서 각 노즐(110)의 개폐를 제어하여 금속의 배합 비율을 조절할 수 있다. 예컨대, B금속의 메탈잉크의 노즐은 폐쇄한 상태에서 A금속의 메탈잉크 중 2개의 노즐을 개방하고, 1개는 폐쇄한 상태에서 C금속의 메탈잉크를 수용한 4개의 노즐을 개방하면, A금속과 C금속이 1:2의 비율도 도포된다. 노즐(110)은 헤드(120)의 하부에 구성되며 헤드(120)에 수용된 메탈잉크를 분사시킨다. 즉 헤드(120)는 다수 개를 구성하고 다수의 헤드(120) 각각은 1개 이상의 메탈잉크를 수용하도록 구성하여 강판(10)의 상부에 노즐(110)을 통해 메탈잉크를 분사시키고 분사된 메탈잉크를 소결시켜 합금을 코팅할 수 있도록 구성한다.
이때, 헤드(120)의 상부에 헤드(120)를 파지한 상태로 회전시키는 회전부(132)가 구성되며, 회전부(132)의 상부에 구성된 스핀들 모터(130)가 회전부(132)를 회전시키고, 회전부(132)에 고정된 헤드(120) 및 노즐(110)로부터 메탈잉크가 강판(10) 상에 골고루 분사된다. 한편, 메탈잉크는 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 미세한 금속 분자를 용재(물, 기름, 솔벤트 등)에 골고루 분포시켜 구성한 것으로 금속의 종류에 따라 각기 다른 용재를 사용할 수 있다.
리니어 모터(140)는 전술한 스핀들 모터(130)의 상부에 구성되며, 헤드(120) 및 노즐(110)을 강판(10)의 길이 방향으로 전진시키도록 구성된다. 리니어 모터(140)는 스핀들 모터(130)를 하부에 고정시킨 상태로 강판(10)의 길이 방향으로 추력을 발생시켜 전진시키거나 후진시킬 수 있다. 리니어 모터(140)도 스핀들 모터(130)와 마찬가지로 전자석의 원리에 의해 구동되며, 그 속도를 조절하기 위해서는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하여 속도를 가변할 수 있다. 속도를 가변하여 구성함으로써 코팅되는 합금의 두께를 조절할 수 있다.
제어부(170)는 상기 스핀들 모터(130) 및 상기 리니어 모터(140)의 속도를 제어하여 메탈잉크에 의해 코팅되는 합금의 두께를 조절하며 상기 헤드(120)를 및 노즐(110)을 제어하여 수용된 메탈잉크의 분사를 제어한다.
이송수단(150)은 메탈잉크가 노즐(110)을 통해 강판(10) 상에 분사 된 이후, 강판(10)을 히터(160) 방향으로 이송하는 역할을 수행한다. 이송수단(150)은 금속으로 구성된 컨베이어 벨트이다. 이송수단(150)을 금속으로 구성하는 것은 후술하는 히터(160)로부터 내열성을 갖도록 구성한 것이다.
히터(160)는 상기 이송수단(150)에 의해 이송된 강판(10)의 하부에 구성되어 강판(10)을 가열시켜 상기 메탈잉크를 소결시킨다. 히터(160)는 코일 형태의 열선으로 구성한 전기로(electric furnace)로 구성한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메탈잉크 프린팅하는 과정을 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하면, S202과정에서 제어부(170)는 스핀들 모터(130) 및 리니어 모터(140) 중 적어도 어느 하나에 입력되는 전압의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)을 이용하여 스핀들 모터(130) 및 상기 리니어 모터(140)의 속도를 조절한다. 예컨대, 스핀들 모터(130)의 속도를 증가시키면, 헤드(120)의 회전 속도가 증가하므로 분사되면서 뿌려지는 메탈잉크가 고르게 섞일 수 있으며, 대신 회전에 의해 외곽의 노즐(110)들은 분산될 가능성이 높으므로 적절한 속도로 제어해야 한다. 또한, 리니어 모터(140)의 속도를 증가시키면, 코팅층이 얇아지게 되고, 결함(defact)가 발생할 수 있으며, 리니어 모터(140)의 속도가 감소되면 코팅층이 두꺼워진다. 따라서, 코팅의 성격에 따라 리니어 모터(140)의 속도를 조절한다.
S204단계에서 제어부(170)는 사용자의 설정을 인지하고 개방할 노즐(110)과 폐쇄할 노즐(110)에 따라 노즐(110)의 개방 및 폐쇄를 제어한다.
예컨대, 도 1에서와 같이 10개의 헤드(120) 및 10개의 노즐(110)로 구성된 실시예의 경우(편의상 좌측으로부터 우측 끝의 노즐까지 순차적으로 1번 노즐 내지 10번 노즐로 칭하기로 함), 1번 노즐에 A금속의 메탈잉크를 충진하고, 2번 노즐에 B금속의 메탈잉크를 충진하고, 3번 노즐 및 4번 노즐에 A금속의 메탈잉크를 충진하며, 5번 노즐에 B금속의 메탈잉크를 충진하고, 6번 노즐 및 7번 노즐에 A금속의 메탈잉크를 충진하며, 8번 노즐에 B금속의 메탈잉크를 충진하고, 9번 노즐 및 10번 노즐에 A금속의 메탈잉크를 충진한 경우, A금속과 B금속을 1:1의 비율의 합금을 형성하기 위해서는 1번 노즐, 4번 노즐, 7번 노즐 및 10번 노즐을 폐쇄시키도록 제어된다. 또는 A금속과 B금속을 7:3 비율의 합금을 형성하도록 설정하는 경우에는 모든 노즐이 개방되도록 제어된다.
S206단계에서 제어부(170)는 스핀들 모터(130) 및 리니어 모터(140)를 구동시킴에 의해 헤드(120) 및 노즐(110)을 회전 및 전진시키면서 강판(10) 상에 상기 메탈잉크를 분사시킨다.
S208단계에서 제어부(170)는 상기 메탈잉크가 도포된 강판(10)을 이송시킨다. 전술한 바와 같이 강판(10)을 이송시키는 이송수단(150)은 강철로된 컨베이어 벨트를 사용할 수 있다.
S210단계에서 상기 강판(10)을 가열시켜 상기 메탈잉크를 소결시킨다. 소결시에 메탈잉크의 용재는 증발되고 금속이 남고 녹으면서 서로 혼재된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈잉크를 프린팅하여 프린팅된 강판을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 강판(10)의 상부는 A금속과 B금속이 혼합된 상태의 합금층(210)이 구성되어 있으며, 이는 스핀들 모터(130)의 회전에 의하여 A금속의 메탈잉크와 B금속의 메탈잉크가 혼재된 상태로 분사되기 때문에 이와 같이 A금속과 B금속이 합금된 상태로 강판(10) 위에 코팅된다. 마찬가지로 C금속을 추가하는 경우에도 3개의 금속이 혼재된 상태로 강판(10) 상에 합금층(210)을 코팅시킬 수 있다. 전술한 도면을 참조하여 A 금속, B금속 및 C금속의 예에 대해서만 언급하였지만, 2가지 이상의 금속을 원하는 비율에 따라 합금하고 이를 강판 위에 코팅시킬 수 있다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변형을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하였다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 강판 110 : 노즐
120 : 헤드 130 : 스핀들 모터
140 : 리니어 모터 150 : 이송수단
160 : 히터 170 : 제어부

Claims (8)

  1. 메탈 잉크를 수용하는 다수의 헤드;
    상기 헤드의 하부에 구성되며 상기 헤드에 수용된 메탈잉크를 강판(steel plate) 상에 분사하는 노즐;
    상기 헤드 및 상기 노즐을 회전시키는 스핀들 모터;
    상기 헤드 및 상기 노즐을 전진시키는 리니어모터; 및
    상기 스핀들 모터 및 상기 리니어모터의 속도를 제어하며 상기 헤더를 제어하여 상기 노즐을 통해 메탈잉크의 분사 여부를 제어하는 제어부를 포함하는 메탈잉크 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 헤드는,
    1개 이상의 성분의 메탈을 상기 각각의 헤드에 수용하는 것인 메탈잉크 프린팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강판을 이송하는 이송수단; 및
    상기 이송수단에 의해 이송된 상기 강판을 가열시켜 상기 메탈잉크를 소결시키는 히터를 더 포함하는 메탈잉크 프린팅 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 스핀들에 입력되는 전압의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하여 상기 스핀들 모터의 속도를 조절하는 메탈잉크 프린팅 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 리니어 모터에 입력되는 전압의 펄스폭변조를 이용하여 상기 리니어 모터의 속도를 조절하는 메탈잉크 프린팅 장치.
  6. 메탈잉크 프린팅 방법에 있어서,
    상기 사용자가 설정한 합금 비율에 대응하여 상기 노즐의 개방을 제어하는 단계;
    노즐에 의해 분사되는 메탈잉크들의 헤더를 회전시키면서 강판(steel plate) 상에 상기 메탈잉크를 분사시키는 단계;
    상기 메탈잉크가 도포된 강판을 이송시키는 단계; 및
    상기 강판을 가열시켜 상기 메탈잉크를 소결시키는 단계를 포함하는 메탈잉크 프린팅 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어하는 단계 이전에,
    상기 스핀들 모터 또는 상기 리니어 모터 중 적어도 어느 하나에 입력되는 전압의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하여 상기 스핀들 모터 및 상기 리니어 모터 중 적어도 어느 하나의 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는 메탈잉크 프린팅 방법.
  8. 금속 강판 상에 상기 청구항 6항의 방법을 이용하여 메탈잉크를 도포한 메탈잉크. 코팅 강판.
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