roll coating

Template-Free Scalable Fabrication of Linearly Periodic Microstructures by Controlling Ribbing Defects Phenomenon in Forward Roll Coating for Multifunctional Applications

다기능 응용을 위한 Forward Roll Coating 공정의 리브 경함 형상 제어를 통한 선형 주기적 미세구조물의 템플릿 프리 제작

Md Didarul Islam, Himendra Perera, Benjamin Black, Matthew Phillips,Muh-Jang Chen, Greyson Hodges, Allyce Jackman, Yuxuan Liu, Chang-Jin Kim,Mohammed Zikry, Saad Khan, Yong Zhu, Mark Pankow, and Jong Eun Ryu

Abstract

Periodic micro/nanoscale structures from nature have inspired the scientific community to adopt surface design for various applications, including superhydrophobic drag reduction. One primary concern of practical applications of such periodic microstructures remains the scalability of conventional microfabrication technologies. This study demonstrates a simple template-free scalable manufacturing technique to fabricate periodic microstructures by controlling the ribbing defects in the forward roll coating. Viscoelastic composite coating materials are designed for roll-coating using carbon nanotubes (CNT) and polydimethylsiloxane (PDMS), which helps achieve a controllable ribbing with a periodicity of 114–700 µm. Depending on the process parameters, the patterned microstructures transition from the linear alignment to a random structure. The periodic microstructure enables hydrophobicity as the water contact angles of the samples ranged from 128° to 158°. When towed in a static water pool, a model boat coated with the microstructure film shows 7%–8% faster speed than the boat with a flat PDMS film. The CNT addition shows both mechanical and electrical properties improvement. In a mechanical scratch test, the cohesive failure of the CNT-PDMS film occurs in ≈90% higher force than bare PDMS. Moreover, the nonconductive bare PDMS shows sheet resistance of 747.84–22.66 Ω □⁻¹ with 0.5 to 2.5 wt% CNT inclusion.

Keywords

multifunctional surfaces, periodic microtrenches, ribbing instabilities,roll coating, scalable manufacturing

References

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Coating field – Roll Coating

Roll Coating (롤 코팅)

응용
– 접착제
– 밀폐제
– 섬유 산업
공정 파라미터
– 롤 속도
– 기질 속도
– 유동학
품질 관리
– 코팅 두께
– 결함 최소화

손쉬운 설정의 시뮬레이션
– STL 가져 오기 또는 기본 요소로 생성
– 간단한 직사각형 격자

롤의 속도가 코팅에 미치는 영향

전형적으로 유입구에 코팅액이 적당하게 있는 상황

롤의 회전이 역으로 작동하는 상황

유입구에 코팅액이 적게 들어오는 상황

공기가 유입된 롤 코팅

Coating Application/코팅분야 응용

해석 조건

Viscosity(점도) = 0.204 Pa-s
Density(밀도) = 965 kg/m^3
Surface tension(표면 장력) = 0.035N/m
Roll coating

물리 모델

Surface tension(표면 장력) 모델
Viscosity(점도)
Moving Objects(운동)

Classic Inlet Flooded Regime

Revers Operating Regime

Inlet Starved Operating Regime

2D 시뮬레이션은 작동 코팅 윈도우의 빠른 평가를 제공
계단식, 공기 유입, 기아 및 런백을 식별
리빙(Ribbing)은 3D 분석이 필요

해석 결과

FLOW-3D 교육 안내

HIGH-END TOP CLASS
FLOW-3D CFD EDUCATION

(주)에스티아이씨앤디에서는 FLOW-3D 제품군의 사용자 교육을 지원하고 있습니다. 홈페이지에 안내되어 있는 교육 일정과 교육신청 절차를 참고하시어 교육을 받으실 수 있습니다.

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교육 과정명 : 수리 분야

댐, 하천의 여수로, 수문 등 구조물 설계 및 방류, 월류 등 흐름 검토를 하기 위한 유동 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 유입 조건(수위, 유량 등)과 유출 조건에 따른 방류량 및 유속, 압력 분포 등 유체의 흐름을 검토를 할 수 있도록 관련 예제를 통해 적절한 기능을 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 수처리 분야

정수처리 및 하수처리 공정에서 각 시설물들의 특성에 맞는 최적 운영조건 검토 및 설계 검토을 위한 유동해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 취수부터 시작하여 혼화지, 분배수로, 응집지, 침전지, 여과지, 정수지, 협기조, 호기조, 소독조 등 각 공정별 유동 특성을 검토하기 위한 해석 모델을 설정하는 방법에 대해 알려드립니다.

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주조 분야 사용자들이 쉽게 접근할 수 있도록 각 공정별로 해석 절차 및 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 고압다이캐스팅, 저압다이캐스팅, 경동주조, 중력주조, 원심주조, 정밀주조 등 주조 공법 별 관련 예제를 통해 적절한 기능들을 습득할 수 있도록 도와 드립니다.

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점성력 및 모세관력 같은 유체 표면에 작용하는 힘이 지배적인 미세 유동의 특성을 정확하게 표현할 수 있는 해석 방법에 대해 소개하는 교육 과정입니다. 열적, 전기적 물리 현상을 구현할 수 있도록 관련 예제와 함께 해석 방법을 알려드립니다.

교육 과정명 : 코팅 분야 과정

코팅 공정에 따른 코팅액의 두께, 균일도, 유동 특성 분석을 위한 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. Slide coating, Dip coating, Spin coating, Curtain coating, Slot coating, Roll coating, Gravure coating 등 각 공정별 예제와 함께 적절한 기능을 습득하실 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : 레이저 용접 분야

레이저 용접 해석을 하기 위한 물리 모델과 용접 조건들을 설정하는 방법에 대해 소개하는 교육 과정입니다. 해석을 통해 용접 공정을 최적화할 수 있도록 관련 예제와 함께 적절한 기능들을 습득할 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : 3D프린팅 분야 과정

Powder Bed Fusion(PBF)와 Directed Energy Deposition(DED) 공정에 대한 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 파우더 적층 및 레이저 빔을 조사하면서 동시에 금속 파우더 용융지가 적층되는 공정을 해석하는 방법을 관련 예제와 함께 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 해양/항만 분야

해안, 항만, 해양 구조물에 대한 파랑의 영향 및 유체의 수위, 유속, 압력의 영향을 예측할 수 있는 해석 방법을 소개하는 과정입니다. 항주파, 슬로싱, 계류 등 해안, 해양, 에너지, 플랜트 분야 구조물 설계 및 검토에 필요한 유동해석을 하실 수 있는 방법을 알려드립니다. 각 현상에 대한 적절한 예제를 통해 기능을 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 우주/항공 분야

항공기 및 우주선의 연료 탱크와 추진체 관리장치의 내부 유동, 엔진 및 터빈 노즐 내부의 유동해석을 하실 수 있도록 관련 메뉴에 대한 설명, 설정 방법을 소개하는 과정입니다. 경계조건 설정, Mesh 방법 등 유동해석을 위한 기본적인 내용과 함께 관련 예제를 통해 기능들을 습득하실 수 있습니다.

고객 맞춤형 과정

상기 과정 이외의 경우 고객의 사업 업무 환경에 적합한 사례를 중심으로 맞춤형 교육을 실시합니다. 필요하신 부분이 있으시면 언제든지 교육 담당자에게 연락하여 협의해 주시기 바랍니다.

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교육 일정 안내

교육은 매월 정해진 일정에 시행되는 정기 교육과 고객의 요청에 의해 시행되는 비정기 교육이 있습니다. 비정기 교육은 별도문의 바랍니다.

1. 연간교육 일정

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2. 교육 내용 : FLOW-3D Basic

FLOW-3D 소개 및 이론
- FLOW-3D 소개 – 연혁, 특징 등
- FLOW-3D 기본 개념
  - VOF
  - FAVOR
- 해석사례 리뷰
GUI 소개 및 사용법
- 해석 모델 작성법 – 물리 모델 설정
  - 모델 형상 정의
  - 격자 분할
  - 초기 유체 지정
  - 경계 조건 설정
- 해석 결과 분석 방법 – 해석 모델 설명
해석 모델 작성 실습
- 해석 모델 작성 실습 – 격자 분할
  - 물리 모델 설정
  - 모델 형상 및 초기 조건 정의
  - 경계 조건 설정
  - 해석 과정 모니터링
  - 해석 결과 분석
- 질의 응답 및 토의

3. 교육 과정 : FLOW-3D Advanced

Physics Ⅰ
- Density evaluation
- Drift flux
- Scalars
- Sediment scour
- Shallow water
Physics Ⅱ
- Gravity and non-inertial reference frame
- Heat transfer
- Moving objects
- Solidification
FLOW-3D POST (Post-processor)
- FLOW-3D POST 소개
- Interface Basics
- 예제 실습

FLOW-3D 교육 신청 방법 안내

교육 신청은 홈페이지의 교육 신청 창에서 최소 3일 전에 신청합니다.
모든 교육과정은 신청 인원이 2인 이상일때 개설되며, 선착순 마감입니다.
교육 신청을 완료하시면, 신청시 입력하신 메일주소로 교육 담당자가 확인 메일을 보내드립니다.
교육 시간은 Basic : 오전10시~오후5시, Advanced : 오후1시30분~오후5시30분까지입니다.
교육비 안내
- FLOW-3D, FLOW-3D CAST, FLOW-3D HYDRO Basic (2일) : 기업 66만원, 학생 55만원
- FLOW-3D WELD/AM Basic 레이저용접, 3D 프린팅(2일) : 기업 88만원, 학생 66만원
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- 상기 가격은 부가세 포함 가격입니다.
교육비는 현금(계좌이체)로 납부 가능하며, 교재 및 중식이 제공됩니다.
세금계산서 발급을 위해 사업자등록증 또는 신분증 사본을 함께 첨부하여 신청해 주시기 바랍니다.
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당사 건물에 주차할 경우 무료 주차 1시간만 지원되오니, 가능하면 대중교통을 이용해 주시기 바랍니다.

오시는 길

Coating Bibliography

아래는 코팅 참고 문헌의 기술 문서 모음입니다.
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Coating Bibliography

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2-96 C. W. Hirt, K. S. Chen, Simulation of Slide-Coating Flows Using a Fixed Grid and a Volume-of-Fluid Front-Tracking Technique, presented a the 8th International Coating Process Science & Technology Symposium, February 25-29, 1996, New Orleans, LA

롤 코팅 공정은 직물, 접착제 및 실란트를 다루는 산업을 포함한 다양한 산업에서 일반적으로 많이 사용하는 공정입니다. FLOW-3D는 공정 엔지니어와 과학자에게 다양한 재료 특성과 코팅 방식을 평가하여 결함의 원인을 식별하고 롤 코팅 공정 매개 변수를 최적화 할 수있는 기능을 제공합니다.

1-D Gradient generator with de-coupled convection and diffusion

이러한 예에서 속도 유선은 롤 코팅 공정에서 흔히 볼 수있는 전방 (상단), 후방 (중간) 및 고갈 (하단) 작동 방식에 대해 플롯됩니다. FLOW-3D는 연구자들에게 롤 속도 및 재료 특성과 같은 요소와 동적 접촉 라인의 안정성에 미치는 영향뿐만 아니라 공기 혼입, 리브 및 비 균일 에지 프로파일과 같은 결함에 대한 기여도를 분석 할 수있는 기능을 제공합니다.

인쇄 공정 중 산업에서는 종종 인쇄면에 잉크를 전달하고 적용하는 롤 코팅(roll coating) 이라고 불리는 기술을 사용합니다. 이 공정에서 통상적으로 잉크 유액은 두 개의 회전하는 실린더 사이의 좁은 갭(gap)으로 흘러 들어갑니다.

FLOW-3D를 사용하는 이 1D microfluidic palette 시뮬레이션에서 주 중앙 마이크로 채널에서 대류 Cells의 clean decoupling을 플롯된 유선을 통해 확인할 수 있습니다. 이 흐름은 모두 대류 장치에만 제한되며 단일 장치조차도 마이크로 채널로 누출되지 않아 대류 및 확산의 탁월한 분리를 나타냅니다. 소스 농도의 변화는 플롯에서 볼 수 있으며 애니메이션이 끝날 때까지 시각적으로 일정해집니다.

Ribbing Instabilities

아래에 표시된 전 방향 롤 코팅 시뮬레이션에서 FLOW-3D는 Lee, et al [1]에 설명 된대로 증가 된 롤 속도와 관련된 리브 불안정성의 시작을 정확하게 포착합니다. 이 모델은 단일 유체 VOF, 표면 장력 및 점도를 구현하여 생산에서 볼 수있는 이러한 불안정성의 복잡한 특성을 포착합니다.

Cascade Defects

아래 시뮬레이션에서 FLOW-3D는 포워드 롤 코팅 공정에서 cascade defect을 포착합니다. 상단 웹 롤러의 증가된 롤 속도로 인해, 동적 접촉 라인이 불안정해져 공기가 코팅액에 유입 될 수 있습니다.

Reference

[1] Lee, J. H., Han, S. K., Lee, J. S., Jung, H. W., & Hyun, J. C. (2010). Ribbing instability in rigid and deformable forward roll coating flows. Korea Australia Rheology Journal, 22(1), 75-80.

Gravure Coating

그라비아 코팅(Gravure coating)은 그라비아 롤이라고하는 홈이 새겨진 실린더에서 움직이는 기판으로 유체를 전달합니다. 그라비아 롤은 표면에 새겨진 작은 홈 또는 cells로 패턴이 지정됩니다. 실린더는 유체의 소스 주위를 회전하고, 마지막으로 doctor blade에 의해 불필요하게 남겨진 잉크가 제거되게 됩니다. 각 cell의 컵 모양은 실린더가 닥터 블레이드를 지나갈 때 유체를 제자리에 고정합니다. cell의 패턴, 깊이 및 모양은 기판에 코팅의 무게와 모양을 결정합니다.

아래에 표시된 FLOW-3D 시뮬레이션은 증착에 대한 셀 깊이의 영향을 보여줍니다. 이 모델은 30 미크론과 53.3 미크론의 두 셀 깊이를 비교합니다. 30 마이크론 셀 깊이는 훨씬 더 균일한 증착을 가능하게 하여 결과적인 코팅으로 전달됩니다.

Gravure Printing Example

아래의 예는 하나의 사각형 셀과 하나의 피라미드 모양의 그라비아 셀의 3D 이미지를 시간 배열로 보여줍니다. 주의해서 보면 코팅 비드(coating bead)가 컨텍 라인이 셀 안으로 움직일 수 있는 것보다 빠르게 블레이드(brade)의 움직임으로 인해 진행되는 것을 볼 수 있습니다. 그 결과로 공기 기포가 포획되며 이는 셀 안이 부분적으로는 유체로 체워지고, 부분적으로는 공기로 채워지는 현상을 나타나게 됩니다.

Reference

[1] Lee, J. H., Han, S. K., Lee, J. S., Jung, H. W., & Hyun, J. C. (2010). Ribbing instability in rigid and deformable forward roll coating flows. Korea Australia Rheology Journal, 22(1), 75-80.

코팅분야

Coating

FLOW-3D는 산업계 및 학계의 코팅 연구원들이 기계 설계 연구, Display 공정개발 및 최적화를 위해 사용했습니다. 미크론 규모의 코팅 물리학을 이해하는 것은 코팅 유체 유변학의 복잡한 특성과 기판 및 Die와의 상호 작용으로 인해 어려울 수 있습니다.

FLOW-3D 는 비용이 많이 드는 실제 실험에 의존하지 않고, 코팅 프로세스를 분석할 수 있는 편리한 방법을 제공합니다. FLOW-3D는 표면 장력, Wall 접착, 용액 운반, 밀도 기반 흐름 및 상 변화의 영향을 이해하기위한 고밀도 모델링을 제공합니다.

Forward roll coating 공정에 대한 FLOW-3D의 시뮬레이션은 high capillary number수로 인한ribbing 결함을 포착합니다. 이 모델은 backing rollers가 400 micron nip을 통해 유체를 끌어 당길 때 표면 장력과 점도의 효과를 통합합니다. 시뮬레이션은 Lee, et al [1]의 연구를 기반으로합니다.

ribbing 시작에 대한 정확한 예측을 통해 엔지니어는 결함을 방지하기 위한 공정 매개 변수를 식별하고 수정할 수 있습니다.

Reference

[1] Lee, J. H., Han, S. K., Lee, J. S., Jung, H. W., & Hyun, J. C. (2010). Ribbing instability in rigid and deformable forward roll coating flows. Korea Australia Rheology Journal, 22(1), 75-80.

Bibliography

Solution-Coating Technology for AMOLED Displays
3 -D Transient Simulation of Viscoelastic Coating Flows
3D Predictions of Thermally Sprayed Polymer Splats
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Models

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Abstract

Keywords

References

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롤의 속도가 코팅에 미치는 영향

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