코팅 노즐의 출구 유량 측정을 위한 중량 유량계 개발

Abstract

슬롯 다이 코팅은 대형 디스플레이 산업에서 널리 사용되는 다목적 코팅 방법이다. 슬롯 다이 코팅에서 코팅 품질 중 하나는 코팅 균일성이며, 디스플레이와 같은 생산품의 품질을 높이기 위해서는 슬롯 다이 코팅의 코팅 균일도가 일정해야한다. 슬롯 다이 코팅에서 기계 진행 방향의 균일도는 펌프에서 슬롯 다이 코팅 헤드로 공급되는 유체의 유량의 일정함과 관련이 있다. 기존 코팅 균일성을 평가하기 위해 코팅 용액 건조 후 코팅 두께를 직접 측정하는 방법이 주로 사용된다. 그러나 이 방법은 코팅을 평가하기 위한 시간과 비용이 많이 소요되며 코팅 용액을 건조 시 두께 변화가 발생할 수 있다. 이러한 코팅의 균일도를 보다 쉽게 검증하기 위하여 슬롯 다이 코팅에서 토출되는 유량을 측정하는 법이 필요하다.

본 논문에서 웨잉셀을 이용하여 슬롯 다이 코팅 노즐에서 방출되는 유량을 측정하는 방법을 제시한다. 전자기력 보상 방식의 웨잉셀을 간단한 유연기구 레버와 보이스 코일 모터를 이용하여 설계 및 제작하였으며 웨잉팬은 유체를 담을 수 있는 형태로 제작하였다. 정밀한 유량을 측정하기 위해 웨잉셀의 구성 요소인 광학적 위치 센서를 수학적으로 모델링하며 이를 분석하고 최적화하였다.

제안된 방법의 타당성은 상용의 시린지 펌프를 이용하여 토출된 유체의 무게 측정을 통해 진행되었으며, 다른 점도를 가지는 세 가지 유체를 이용하여 측정하였다. 제안한 유량 측정 시스템은 점도에 상관없이 선형적인 유량 측정이 가능하였다. 측정 목표 유량 0.558 mL/s의 약 1/10 수준인 50 μL/s의 유량까지 측정이 가능한 것을 확인하였으며, 측정 가능한 유량 범위는 5 μL/s에서 7800 μL/s이며 분해능은 약 1 μL/s로 도출되었다.

또한 무게 측정값의 미분 시 발생하는 노이즈를 줄이기 위해 이미지 처리에 많이 사용되는 가우시안 필터를 이용하여 기존 사용되던 이동 평균 필터에서 발생하는 시간 지연을 줄일 수 있었다. 가우시안 필터의 변수 분석을 통해 기존 사용되던 평균 필터 대비 28.8% 노이즈를 저감 시킬 수 있었다.

최종적으로 고점도 유체의 느린 안정화 시간을 앞당기기 위하여 피드포워드 제어를 통해 유량의 프로파일을 변경하여 안정화 시간을 56.4% 앞당길 수 있음을 확인하였다.