The thesis presents a single-heater microinjector, whose ejected fluid droplet volume is adjusted by changing current paths in a single microheater. The previous droplet volume adjustable methods have used multiple heaters or multiple signals, while the novel aspect of the present method includes the use of single heater with an identical signal for multiple current paths to achieve multi-level droplet volume adjustment.
We design two types of the microinjectors including rectangular heater type and circular heater type microinjector using $ANSYS^{®}5.7$ thermal simulation and fabricate the microinjectors by micromachining. Each microinjector has a single microheater with eight electric lines to control the current path.
In the experimental study, we measure the size of the generated bubble and the volume, velocity of the ejected droplet as the current path changing. In bubble generation test, we use the 1kHz 15.0V 3 μ sec$ pulse-width electrical signal and DI water at room temperature. The maximum bubble sizes are obtained at 3~5 μ sec$ after the supply of electrical signal. The projected area of the generated bubble is changed from $440 ㎛^{2}$ to $1360 ㎛^{2}$ for rectangular type microinjector and from $800 ㎛^{2}$ to $3300 ㎛^{2}$ for circular type at 6 levels. Under the same experimental condition, we measure the ejected droplet volume and velocity. It is found that the ejected droplet volume is varied from 9.4pl to 20.7pl at 3 levels for rectangular type and from 7.4pl to 27.4pl at 5 levels for circular type, while the velocity of the ejected droplet is increased from 0.8m/s to 1.7m/s for rectangular type and from 0.5m/s to 2.8m/s for circular type.
On this basis, we have found that the present single-heater microinjectors using current path changing method show more droplet volume adjustment level and wider volume adjustment range than previous microinjectors. We have experimentally verified that the present current path changing method is capable of adjusting the ejected droplet volume of the microinjector effectively, demonstrating its potential applications for inkjet printhead.
본 논문에서는 미소히터에 흐르는 전류의 경로를 조절함으로써 토출되는 유체의 양을 조절할 수 있는 미소 유체 분사기를 설계, 제작하고 그 성능을 측정하였다. 기존의 입력 신호를 조절하거나 미소 히터 행렬을 이용하는 방법에 비해서, 제안된 전류 경로를 조절하는 방법은 단일 히터를 사용하면서 히터의 가열 면적을 효과적으로 조절함으로써 토출되는 유량을 더 넓은 범위에서 여러 단계로 조절할 수 있도록 하기위해 제안되었다.
이론적 고찰에서는 전류의 경로를 효과적으로 제어하기 위한 히터의 형상을 얻기 위해서 $Ansys^{®}5.7$ 을 이용하여 히터 형상에 따른 히터의 가열면적에 대해서 이론적으로 예측하고, 이 값을 이용하여 토출되는 유량에 대해서 예측을 하였다. 이론적 예측으로부터 최적의 치수와 형상을 선정한 후에 이 값들을 이용하여 Circular type과 Rectangular type의 두 가지 시편을 설계하고 마이크로머시닝 공정을 통해 제작하였다.
시편의 성능평가에서는 히터의 성능을 알기 위해서 전류 경로를 바꾸어 줌에 따른 기포 생성 실험과 미소 유체 분사기의 성능을 알기 위한 유체 분사 실험을 수행하였다. 실험은 상온에서 15V, 1kHz, $3 μ sec$ 펄스 폭을 갖는 입력 신호에 대해서 진행되었고 작동유체는 DI water를 사용하였다. 기포 생성 실험에서 기포의 크기는 입력 신호를 인가한 후 $3~5 μ sec$ 후에 최대가 되었으며, 전류 경로를 바꾸어 줌에 따라서 가열 면적이 R-type의 경우 $440 ㎛^{2}$ 에서 $1360 ㎛^{2}$ 까지, C-type의 경우 $800 ㎛^{2}$ 에서 $3300 ㎛^{2}$ 까지 6 단계로 증가하였다. 동일한 실험 조건 하의 유체 분사 실험에서는 R-type의 경우 토출되는 유량이 9.4pl에서 20.7pl까지 분사 속도는 0.8m/s에서 1.7m/s까지 3단계로 조절 가능하였고, C-type의 경우 토출되는 유량이 7.4pl에서 27.4pl까지 분사 속도는 0.5m/s에서 2.8m/s까지 5단계로 조절 가능하였다.
결론적으로 본 연구에서는 단일 미소히터에서 전류 경로를 조절하는 방법을 이용하여 미소 유체 분사기에서 토출되는 유량을 넓은 범위에서 여러 단계로 정밀하게 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한 실험적으로 단일 히터상에서 전류 경로를 조절함으로써 가열 면적과 분사 액적을 효과적으로 조절할 수 있고, 고해상도 잉크젯 프린터 헤드로 사용될 수 있음을 확인하였다.
