KR20120130817A - 접촉각 측정 장치 - Google Patents

접촉각 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접촉각 측정 장치에 관한 것으로, 액적을 토출시키는 잉크젯 헤드; 상기 액적이 탄착되는 기판; 상기 기판을 이동시키는 기판 이동부; 상기 기판 상에 존재하는 상기 액적을 촬영하여 액적의 이미지를 획득하는 이미지 획득부; 상기 획득부에서 획득한 액적의 이미지를 분석하여 이미지 값이 급변하는 지점의 좌표를 얻는 처리하는 이미지 처리부; 및 상기 좌표를 이용하여 액적의 접촉각을 산출하는 접촉각 산출부;를 포함하여, 접촉각을 측정하고자 하는 액적의 크기를 미세하고 정확하게 조절할 수 있고 액적의 프로파일 변화를 알 수 있다.

Description

접촉각 측정 장치 {APPARATUS FOR MEASURING CONTACT ANGLE}
본 발명은 접촉각 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정하고자 하는 액적의 양을 정확하게 제어할 수 있고 시간에 따른 접촉각의 변화량 내지 변화 정도를 측정할 수 있는 접촉각 측정 장치에 관한 것이다.
인쇄 기술은 문자 인쇄만이 아닌 전자소자 공정, 재료공정, 바이오 분야 등에서 패터닝(patterning) 기술로 적용할 수 있음에 따라 관련 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다. 특히 잉크젯 패터닝(inkjet patterning) 기술은 반도체 공정의 복잡한 광학 리소그래피(lithography) 방식과 달리 비접촉식 3차원(3D) 프린팅 기반 패터닝 방식으로 LCD, OLED, PDP 등의 디스플레이 분야, PCB, RFID, 마이크로렌즈(micro lens) 등의 전자재료 프린팅 분야와 각종 micro/nano sensor, bio chip, 생물 세포 배양 등의 분야에서 공정기술로 적용되고 있다.
이러한 잉크젯 패터닝의 장점은 직접 인쇄공정의 친환경적 공정, 재료 저감에 따른 저가의 공정, 대면적 패터닝이 가능하다는 것이다. 잉크젯을 이용하여 토출된 잉크는 기판(substrate) 위에 패턴을 형성하게 되는데, 이때 중요한 것이 접촉각(contact angle)이다.
접촉각이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 말하며, 접촉각 측정은 접착, 표면처리 그리고 폴리머 표면분석과 같은 많은 분야에서 잘 알려진 분석 기술로 낮은 접촉각은 높은 젖음성을 나타내고 높은 접촉각은 낮은 표면 에너지를 나타낸다. 즉, 접촉각이 작으면 잉크 또는 액적이 기판 상에서 잘 퍼지고, 접촉각이 크면 잘 안 퍼지게 된다. 이를 정량적으로 측정하는 장치가 접촉각 측정 장치이다.
도 1은 종래의 접촉각 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면, 도 2는 종래의 접촉각 측정 장치를 사용하여 접촉각을 측정하는 원리를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 접촉각 측정 장치는 유체를 디스펜싱(dispensing)할 수 있는 주사기(syringe) 형태의 디스펜서와 조명(Fiber Optic Illumination) 그리고 CCD카메라와 이미지를 분석할 수 있는 소프트웨어를 탑재한 컴퓨터를 포함한다. 종래의 접촉각 측정 장치는 유체를 디스펜싱하는 디스펜서가 주사기 형태로 되어 있기 때문에 보통 2마이크로리터(μL) 정도의 유체를 이용하여 접촉각을 측정한다.
이러한 종래의 접촉각 측정 장치는 2θ 방법(2θ method)을 이용하여 접촉각을 측정한다. 도 2를 참조하면, 기판(S)을 기준으로 상부에 액적(D)이 존재하고 그 하부의 이미지는 액적이 기판에 반사된 이미지이다. 기판(S)을 기준으로 액적(D)의 높이가 최고가 되는 지점의 높이(H)와 최고점에서 수선을 내릴 때 형성되는 기판의 길이(L)로 이루어지는 삼각형에서 길이(L)와 높이(H)로부터 각도(θ)를 구한다. 이렇게 구해진 각도(θ)를 2배 하면 액적의 접촉각을 구할 수 있다.
종래의 접촉각 측정 방법을 다시 한 번 설명하면, 카메라(camera)를 이용하여 얻은 액적의 이미지를 바이너리 이미지(binary image)로 변환하고, 바이너리 이미지의 최상위값, 최좌측 및 최우측의 위치를 구하고 이를 이용하여 길이(L)와 높이(H)를 픽셀(pixel)값으로 계산하여, 그 계산 결과를 이미지 위에 그려서 2θ 방법에 의해서 접촉각을 구한다.
인쇄기술(잉크젯 및 오프셋 인쇄)이 전자 부품 제조로 응용이 되면서 보다 작은 선폭(line width), 보다 작은 잉크(액체)가 기판 위에 패턴이 되고 있다. 따라서 액적이 크기에 따라서 접촉각이 달라질 수 있는데 이러한 원인으로는 기판의 거칠기, 기판에서의 잉크가 흡수되는 특성, 기판 위에 다른 패턴이 있는 경우에는 달라질 수 있다. 따라서, 잉크 개발 및 인쇄 공정 개발을 위해서는 공정 (기판 및 잉크)에 맞는 정확한 접촉각을 측정할 수 있어야 한다.
또한, 시간에 따라서 접촉각은 변화하게 된다. 이러한 접촉각의 변화를 시간에 따라 분석할 수 있어야 한다. 그러나 분산잉크인 경우에는 건조에 따라서 접촉각 변화 뿐만 아니라 건조에 따른 형태가 변화하게 된다. 이때의 접촉각을 기존의 접촉각 측정 장치 및 측정 방법에 의해서 구하게 되면 오류가 있게 되고 전체의 형태로서 평가해야 하는 문제가 있다.
특히, 전자 인쇄의 경우 접촉각은 잉크의 양에 따라서 다르게 되는데 잉크젯 헤드에서 토출되는 잉크의 양은 수십 피코리터(pL) 정도의 아주 작은 양이 토출된다. 그러나 접촉각 측정을 위한 종래의 장치 및 방법은 수 마이크로리터(μL) 정도의 양을 이용하여 측정하므로 실제 전자 인쇄 공정 중의 접촉각과는 다른 결과를 가져올 수 있다.
따라서, 원하는 아주 작은 양의 잉크 액적 (30pL~3 μL)을 정확히 만들고 이를 정확히 측정하며 이것이 기판에 떨어 졌을 때 시간에 따른 접촉각 내지 접촉각의 변화량을 측정할 수 있는 접촉각 측정 장치 및 측정 방법에 대한 요구가 증대되고 있다.
본 발명은 잉크젯 헤드를 이용하여 토출되는 액적의 양 또는 방울 수를 정확하게 제어할 수 있는 접촉각 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 토출되는 액적의 양을 미소한 양에서부터 비교적 많은 양까지 토출시키는 것이 가능한 접촉각 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 다수개의 액적을 토출시킨 상태에서도 원하는 위치에 있는 액적의 접촉각을 측정할 수 있는 접촉각 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 1개의 기판 상에서 다양한 크기를 가지는 다수개 액적의 접촉각을 한꺼번에 측정할 수 있는 접촉각 측정 장치를 제공한다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치는, 액적을 토출시키는 잉크젯 헤드; 상기 액적이 탄착되는 기판; 상기 기판을 이동시키는 기판 이동부; 상기 기판 상에 존재하는 상기 액적을 촬영하여 액적의 이미지를 획득하는 이미지 획득부; 상기 획득부에서 획득한 액적의 이미지를 분석하여 이미지 값이 급변하는 지점의 좌표를 얻는 처리하는 이미지 처리부; 및 상기 좌표를 이용하여 액적의 접촉각을 산출하는 접촉각 산출부;를 포함할 수 있다.
상기와 같이 잉크젯 헤드를 이용하여 액적을 토출시켜서 액적의 접촉각을 측정함으로써 미소량의 액적에 대한 접촉각도 쉽게 구할 수 있다.
상기 잉크젯 헤드는 액적의 방울 수를 이용하여 액적의 토출량을 제어할 수 있다.
상기 잉크젯 헤드는 인가되는 전압에 따라 토출되는 액적의 크기 또는 방울 수를 제어할 수 있다.
상기 기판 상에는 다수의 액적이 존재할 수 있다.
상기 기판 이동부는 상기 기판 상에 존재하는 다수의 액적 중 상기 이미지 획득부가 촬영하고자 하는 액적과 동일한 선상에 위치하도록 상기 기판을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 이미지 처리부는 상기 액적의 이미지에 관심영역을 설정하고, 상기 관심영역 내에 상기 액적의 이미지와 교차하는 직선을 동일한 간격으로 다수개 형성할 수 있다.
상기 이미지 처리부는 상기 다수개의 직선 상에서 상기 액적의 이미지 값이 급변하는 다수개의 지점을 찾고, 상기 다수개 지점의 X좌표 및 Y좌표를 구할 수 있다.
상기 접촉각 산출부는 상기 다수개 지점의 X좌표 및 Y좌표를 커브 피팅하여 직선을 구하고, 구해진 직선의 기울기로부터 액적의 접촉각을 산출할 수 있다.
상기 접촉각 산출부는 상기 기판의 특성에 따라 상기 액적의 접촉각이 변화하는 정도를 산출할 수 있다.
상기 접촉각 산출부는 상기 액적의 양에 따라 상기 액적의 접촉각이 변화하는 정도를 측정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치는 잉크젯 헤드에 인가되는 전압을 조절하여 토출되는 액적의 양 또는 방울 수를 정확하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치는 토출되는 액적의 양을 미소한 양에서부터 비교적 많은 양까지 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 접촉각 측정 장치는 액적의 접촉각이 시간의 경과에 따라 변화하는 양을 측정할 수 있기 때문에 액적이 토출된 후 건조되는 경우에도 액적의 형상 변화 과정에 따른 접촉각의 변화량을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 접촉각 측정 장치는 액적이 토출된 기판을 3축 방향으로 이동시킬 수 있기 때문에 다수개의 액적을 토출시킨 상태에서도 원하는 위치에 있는 액적의 접촉각을 측정할 수 있고, 1개의 기판 상에서 다양한 크기를 가지는 다수개 액적의 접촉각을 한꺼번에 측정할 수 있다.
도 1은 종래의 접촉각 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 접촉각 측정 장치를 사용하여 접촉각을 측정하는 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 10은는 도 3에 따른 접촉각 측정 장치에 사용되는 프로그램된 화면을 나타내는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치를 사용하여 접촉각을 측정하는 방법을 도시한 순서도이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치를 나타낸 도면, 도 4 내지 도 10은 도 3에 따른 접촉각 측정 장치에 사용되는 프로그램된 화면을 나타내는 예시도, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치를 사용하여 접촉각을 측정하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)는, 액적을 토출시키는 잉크젯 헤드(110), 상기 액적이 탄착되는 기판(150), 상기 기판(150)을 이동시키는 기판 이동부(181,183,185), 상기 기판(150) 상에 존재하는 상기 액적을 촬영하여 액적의 이미지를 획득하는 이미지 획득부(130), 상기 획득부(130)에서 획득한 액적의 이미지를 분석하여 이미지 값이 급변하는 지점의 좌표를 얻는 처리하는 이미지 처리부(미도시) 및 상기 좌표를 이용하여 액적의 접촉각을 산출하는 접촉각 산출부(미도시)를 포함할 수 있다.
여기서, 이미지 처리부 및 접촉각 산출부는 컴퓨터 등의 전산처리장치라고 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)는 잉크젯 헤드(110)를 이용하여 액적을 토출시켜서 액적의 접촉각을 측정함으로써 미소량의 액적에 대한 접촉각도 쉽게 구할 수 있다.
잉크젯 헤드(110)에는 잉크젯 헤드(110)에 잉크 또는 유체를 공급하는 공급도관(120)이 연결될 수 있는데, 공급도관(120)은 미세한 크기를 가지도록 형성하여 잉크젯 헤드(110)에 공급되는 유체의 양을 미세하게 제어할 수 있다.
잉크젯 헤드(110)는 기판(150) 상에 잉크 또는 유체의 액적을 떨어뜨려 탄착시킬 수 있도록 기판(150)의 상부에 위치하도록 제공될 수 있다. 이 때, 잉크젯 헤드(110)는 지지 구조물에 고정된 상태로 제공되는 것이 바람직하다.
기판(150)의 일측에는 기판(150) 상에 탄착된 액적의 이미지를 획득하기 위한 이미지 획득부(130)가 제공되는데, 이미지 획득부(130)는 CCD 카메라 등으로 구성될 수 있다. 기판(150)을 기준으로 이미지 획득부(130)와 마주 보도록 조명(140)이 설치될 수 있는데, 조명(140)은 LED 조명 등을 이용할 수 있으며, 이미지 획득부(130)가 액적의 이미지를 보다 선명하게 촬영하거나 획득할 수 있도록 조명을 제공한다. 여기서, 조명(140)은 항상 켜져 있을 수도 있으나, 잉크젯 헤드(110)에 인가되는 트리거 신호(trigger signal)과 동기화되어 잉크젯 헤드(110)에서 액적이 토출되는 순간에만 작동할 수도 있다.
기판(150)은 알루미늄 전극판(미도시) 상에 놓여지고, 상기 알루미늄 전극판은 절연재(170) 상에 놓여질 수 있다.
여기서, 전극판(150) 및 절연재(170)는 기판 이동부(181,183,185)에 의해서 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동될 수 있다. 기판 이동부(181,183,185)는 리드 스크류(lead screw) 방식으로 각각의 축 방향으로 이동할 수 있는 X축 이동부(181), Y축 이동부(183) 및 Z축 이동부(185)를 포함할 수 있다. 이들 중 Z축 이동부는 상하 방향으로 움직일 수 있기 때문에 기판(150) 및 절연재(170)의 하부와 접촉하는 위치까지 움직일 수 있다. 이와 같이, Z축 이동부(185)가 먼저 상승하여 기판(150) 또는 절연재(170)의 하부를 접촉 지지한 상태에서 X축 이동부(181) 또는 Y축 이동부(183)가 움직여서 원하는 액적이 이미지 획득부(130)와 조명(140)을 연결한 선 상에 위치하도록 할 수 있다.
이와 같이, 3축 방향으로 움직일 수 있는 기판 이동부(181,183,185)를 이용하기 때문에 기판(150) 상에 다수개의 액적을 토출시킨 상태에서도 모든 액적에 대한 이미지를 획득할 수 있다. 따라서, 1개의 액적에 대한 이미지를 획득하는 종래의 접촉각 측정 장치에 비해서 측정 효율을 높일 수 있다.
도면 중 미설명 도면 부호 "160"은 진공스위치이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)의 잉크젯 헤드(110)는 액적의 방울 수를 이용하여 액적의 토출량을 제어할 수 있다. 즉, 상기 잉크젯 헤드(110)는 인가되는 전압에 따라 토출되는 액적의 크기 또는 방울 수를 제어할 수 있다.
예를 들어 액적의 한 방울이 50pL이면, 잉크젯 헤드(110)에서 토출되는 액적의 양을 1방울, 10방울 또는 100방울 등과 같이 토출되는 액적의 방울 수를 제어할 수 있다. 또한, 미세하거나 아주 작은 양으로 액적을 토출시켜야 하는 경우에는 잉크젯 헤드(110)에 인가되는 전압을 조절하여 토출되는 액적의 미세량을 제어할 수 있다. 예를 들면 잉크젯 헤드(110)에 인가되는 전압이 40V일 때는 50pL의 액적을 토출시키고, 30V일 때는 40pL, 60V일 때 55pL의 액적을 토출시키는 등으로 조절할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)는 잉크젯 헤드(110)를 이용하여 액적을 토출함으로써 토출되는 액적의 양 또는 방울 수를 용이하고 정확하게 조절할 수 있다. 이로 인해, 전자 인쇄에 이용하는 극미소량 잉크의 접촉각도 정확하게 측정할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)는 상기 기판(150) 상에 다수의 액적이 존재할 수 있다. 즉, 기판(150)을 3축 방향으로 움직일 수 있는 기판 이동부(181,183,185)가 있기 때문에 1개의 기판 상에 여러 개의 액적에 대한 접촉각을 한꺼번에 확인할 수도 있다.
잉크젯 헤드(110)에 의해서 다양한 크기를 가지는 다수개의 액적을 기판(150) 상에 토출시킨 상태에서, 상기 기판(150) 상에 존재하는 다수개의 액적 중 상기 이미지 획득부(130)가 촬영하고자 하는 액적과 동일한 선상에 위치하도록 상기 기판(150)을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시킬 수 있다.
한편, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 이미지 처리부는 상기 액적의 이미지에 관심영역(202)을 설정하고, 상기 관심영역(202) 내에 상기 액적(203)의 이미지와 교차하는 직선(211)을 동일한 간격으로 다수개 형성할 수 있다. 여기서, 관심영역(203)을 사용자가 지정하거나 입력할 수 있고, 관심영역(203) 내에 형성된 다수개의 직선(211)의 동일 간격도 사용자가 지정하거나 입력할 수 있다. 관심영역(203, Region of Interest)은 액적의 이미지에서 접촉각을 얻을 수 있도록 사각형 또는 일정한 면적을 가지는 다각형이나 폐곡선 형태로 지정될 수 있다. 관심영역(202) 내에 형성된 직선(211)의 간격은 정해진 픽셀 간격으로 지정될 수 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 직선(211)과 액적의 이미지가 교차하는 지점(212)을 구하기 위해서, 직선(211)의 방향을 따라 정의되는 이미지 값이 급변하는 지점을 찾을 수 있다. 즉, 상기 이미지 처리부는 상기 다수개의 직선(211) 상에서 상기 액적의 이미지 값이 급변하는 다수개의 지점(212)을 찾고, 상기 다수개 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 구할 수 있다. 이 때, 직선(211)의 방향을 따라 액적의 이미지 값이 급변하는 지점(212)을 찾기 위해서 에지 디텍션 알고리즘(edge detection algorithm)을 이용할 수 있다.
이미지 획득부(130)에서 획득한 액적의 이미지 영상을 이미지 프로세싱(image processing)을 통해서 바이너리 이미지(binary image)로 변환하면, 액적의 이미지 내부와 외부의 이미지 값이 달라지게 된다. 예를 들면, 액적의 이미지 내부의 이미지 값이 1이라면 외부의 이미지 값은 0이라고 할 수 있다. 이와 같이, 액적의 이미지의 윤곽 또는 경계선에서 이미지 값이 급격하게 변하게 되고, 이미지 값이 급변하는 지점(212)은 에지 디텍션을 통해서 찾을 수 있다. 이미지 값이 급변하는 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 구하기 위해서 직선(211)의 방향에서의 이미지 값이 급변하는 지점을 찾는 것이 바람직하다. 이와 같이 이미지 값이 급변하는 다수개의 지점(212)에 대해서 X좌표 및 Y좌표를 구한다.
상기 접촉각 산출부는 상기 다수개 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 커브 피팅(curve fitting)하여 직선(213)을 구하고, 구해진 직선(213)의 기울기로부터 액적(203)의 접촉각을 산출할 수 있다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 관심영역(202) 내에서 동일한 간격으로 그어진 다수개의 직선(211) 방향을 따라 액적의 이미지 값이 급변하는 지점(212)을 2개 이상 이용하여 커브 피팅을 수행하여 얻어진 직선(213)의 기울기가 액적(203)의 접촉각을 나타낸다고 할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)를 이용하여 액적의 접촉각을 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
우선 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 방법은, 잉크젯 헤드(110)를 이용하여 기판(150) 위에 액적을 토출시키는 단계(1100), 상기 기판(150) 위에 토출된 액적의 이미지를 획득하는 단계(1200), 상기 액적(203)의 이미지 상에 관심영역(202)을 설정하는 단계(1300), 상기 관심영역(202) 내에 일정한 간격으로 다수개의 직선(211)을 형성하는 단계(1400), 상기 직선(211)의 방향을 따라 상기 액적의 이미지 값이 급변하는 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 구하는 단계(1500), 상기 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 이용하여 커브 피팅을 수행하는 단계(1600) 및 상기 커브 피팅에 의해 얻어진 직선(213)의 기울기를 이용하여 액적의 접촉각을 구하는 단계(1700)를 포함할 수 있다.
상기 액적을 토출시키는 단계(1100)는 상기 잉크젯 헤드(110)에 인가되는 전압을 조절하여 토출되는 액적의 크기 또는 방울 수를 제어할 수 있다. 잉크젯 헤드(110)에 의해서 토출된 액적은 기판(150) 상에 존재하게 되고, 잉크젯 헤드(110)는 크기가 다양한 다수개의 액적을 기판(150) 상에 토출시킬 수 있다.
기판(150) 상에 다수개의 액적이 토출된 상태에서 원하는 액적의 이미지를 획득하기 위해서 이미지 획득부(130) 쪽으로 촬영하고자 하는 액적이 위치하도록 기판(150)을 이동시켜야 한다. 이를 위해서, 상기 액적의 이미지를 획득하는 단계(1200)는 상기 기판(150)을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시켜서 상기 기판 상에 존재하는 다수의 액적 중에서 원하는 액적의 이미지를 획득할 수 있다. 이 때, 기판(150)은 기판 이동부(181,183,185)에 의해서 X축, Y축 및 Z축 방향으로 움직일 수 있다. 기판 이동부(181,183,185)에 의해서 원하는 액적이 이미지 획득부(130)와 조명(140)과 동일한 선상에 위치되게 한 후 이미지 획득부(130)에 의해서 액적을 촬영하여 액적의 이미지를 얻는다.
액적의 이미지를 획득한 후에 상기 이미지 처리부는 액적의 이미지에 대해서 이미지 프로세싱 및 에지 디텍션을 수행하게 된다. 상기 관심영역(202)을 설정하는 단계(1300)는 상기 이미지 처리부에서 수행되며, 상기 액적의 이미지를 모두 둘러싸도록 상기 관심영역(202)을 설정할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 액적(203)의 이미지를 둘러싸도록 사각형 또는 일정한 면적을 가지는 형태로 관심영역(202)을 설정할 수 있다. 또한, 액적의 이미지를 처리하는 프로그램된 화면을 도시한 도 4를 참조하면, 좌측 창(201)에는 액적의 이미지가 표시되고, 우측에는 액적을 이미지 프로세싱한 결과가 나타난다. 즉, 우측에는 접촉각(204)과 시간에 따른 액적의 윤곽 또는 경계선을 나타내는 그래프(205)가 도시되어 있다.
이와 같이, 관심영역(202)을 설정한 후에는 도 5에 도시된 바와 같이 관심영역(202) 내에 일정한 간격으로 다수개의 직선(211)을 긋게 된다. 상기 다수개의 직선(211)을 형성하는 단계(1400)도 이미지 처리부에서 수행되며, 상기 액적의 이미지에 대해서 에지 디텍션(edge detection)을 위해서 상기 다수개의 직선을 동일하게 형성할 수 있다.
관심영역(202) 내에 다수개의 직선(211)을 그은 후에, 상기 X좌표 및 Y좌표를 구하는 단계(1500)에서 액적의 이미지 값이 급변하는 다수개의 지점(212)을 구하게 되는데(1500), 여기서, 상기 액적의 이미지 값이 급변하는 지점(212)은 상기 액적의 표면 또는 경계면과 상기 직선(211)이 교차하는 지점이라고 할 수 있다. 상기 이미지 처리부에서 액적의 이미지에 대한 이미지 프로세싱을 수행하면 액적의 바이너리 이미지(binary image)를 얻을 수 있다. 이러한 바이너리 이미지는 액적 이미지의 경계면 또는 표면을 기점으로 해서 급변하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 액적 이미지의 표면 또는 윤곽을 구할 수 있다. 상기 X좌표 및 Y좌표를 구하는 단계(1500)는 상기 액적의 프로파일(profile)을 구할 수 있다. 예를 들면, 도 4의 우측 하단을 보면 액적 이미지의 프로파일 또는 윤곽이 다수개의 점들로 표현되어 있음을 볼 수 있다(도 4의 205 참조).
이와 같이 얻은 다수개 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 이용하여 커브 피팅을 수행하는 단계(1600)에서 커브 피팅을 통해 최적의 직선(213)을 구할 수 있다. 이 때, 커브 피팅에는 2개의 지점을 사용하거나 다수개의 인접한 지점의 X좌표 및 Y좌표를 이용할 수 있다.
여기서, 상기 커브 피팅을 수행하는 단계(1600)는 다수개 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 이용하여 직선(213)을 도출함으로써 이미지 잡음(image noise)의 영향을 줄일 수 있다.
한편, 도 6에는 다수개의 지점(212)을 이용하여 커브 피팅을 수행하기 위한 프로그램된 화면(220)이 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 다수개의 지점을 이용하여 커브 피팅을 수행하여 도출된 직선이 도시되어 있다. 커브 피팅에 의해서 도출된 직선은 일차 방정식 즉, y=ax+b의 형태로 표현될 수 있다. 여기서, 직선의 기울기에 해당하는 a 값은 시간에 따른 접촉각이 변하는 정도 즉, 시간에 따른 접촉각의 변화율이 되고, 직선의 y축 절편에 해당하는 b 값은 초기의 접촉각이 된다. 도 6을 참조하면 직선의 초기 접촉각은 대략 30도가 되고, 기울기에 해당하는 a가 음(minus)의 값을 가지므로 시간이 경과함에 따라 접촉각이 감소한다고 할 수 있다. 따라서, 이러한 과정을 거쳐 구한 접촉각은 초기의 값 보다는 비교적 잡음에 덜 민감한 결과를 가진다고 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 액적의 접촉각을 구하는 단계(1700)에서는 상기 커브 피팅된 직선(213)의 기울기가 시간의 경과에 따라 변하는 것으로부터 상기 액적의 프로파일 변화를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 방법은 액적의 이미지 값이 급변하는 지점(212)의 X좌표 및 Y좌표를 찾고 이를 이용하여 초기 접촉부분의 기울기를 tanθ=Y/X의 관계를 이용하여 접촉각을 계산할 수 있다. 또한, 액적의 프로파일을 측정하는 것이므로 액적이 건조하는 경우의 특성도 알 수 있으며, 시간에 따른 특성을 이용하여 프로파일의 변화 및 접촉각의 변화를 효과적으로 측정할 수 있다.
또한, 상기 액적의 접촉각을 구하는 단계(1700)는 상기 액적의 이미지 값이 급변하는 지점의 Y좌표를 X축에 대하여 미분함으로써 시간에 따른 상기 액적의 프로파일의 변화량을 측정할 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 액적의 프로파일이 얼마나 변하는지도 확인할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)를 사용하여 잉크젯 헤드(110)에 인가되는 전압의 크기 또는 모양을 변경하면 잉크젯 헤드(110)에서 토출되는 액적의 크기를 미세하게 조절할 수 있음을 보여 주는 프로그램된 화면이 예시적으로 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)는 액적의 방울 수를 조절하여 액적의 크기를 원하는대로 조절할 수 있다. 도 8의 (a)는 1방울의 액적을 토출하였을 때 접촉각의 측정 결과를 보여 주는 화면이고, (b)는 20방울의 액적을 토출하였을 때 접촉각의 측정 결과를 보여 주는 화면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 액적의 양에 따른 접촉각의 변화를 측정하는 것이 가능하다. 또한 기판의 특성에 따라서 즉, 기판의 표면 특성, 기판이 잉크를 흡수하는지 여부 등에 따라서 접촉각의 특성이 바뀔 수 있는데, 기존의 접촉각 측정 장치는 이러한 기판의 특성에 따른 접촉각의 변화를 측정할 수 없었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)는 기판의 특성에 따른 접촉각의 특성 변화도 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치(100)의 상기 접촉각 산출부는 상기 기판의 특성에 따라 상기 액적의 접촉각이 변화하는 정도를 산출할 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 방법은 관심영역(202) 내에서 액적의 이미지 값이 급변하는 지점(212)의 좌표를 구하고, 시간에 대해서 각 좌표를 저장하고 이것을 3차원 그래프로 나타내면 액적의 건조과정에 대한 특성도 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 접촉각 측정 방법을 사용하여 접촉각 뿐만 아니라 액적 프로파일 또는 액적 형상의 변화과정을 분석할 수도 있다. 도 9에는 이미지 값이 급변하는 다수개의 지점이 3차원으로 표시되어 있고, 도 10에는 3차원적으로 표시된 다수개의 지점을 연결한 프로파일 또는 형상이 도시되어 있다. 도 10을 참조하면 액적의 프로파일 또는 액적의 형상 즉, 액적의 폭(Width) 및 높이(Height)기 시간에 따라 어떻게 변하는지 알 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각 측정 장치 및 측정 방법에 의하면, 액적의 크기 또는 양, 방울 수를 미세하고 정확하게 조절할 수 있으며, 액적의 접촉각을 측정하는 것에 그치지 않고 시간에 따라 액적의 프로파일이 어떻게 변하는지 또는 액적이 어떠한 특성으로 건조하는지에 대해서 알 수 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 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 접촉각 측정 장치 110: 잉크젯 헤드
130: 이미지 획득부 140: 조명
150: 기판 181,183,185: 기판 이동부

Claims (10)

  1. 액적을 토출시키는 잉크젯 헤드;
    상기 액적이 탄착되는 기판;
    상기 기판을 이동시키는 기판 이동부;
    상기 기판 상에 존재하는 상기 액적을 촬영하여 액적의 이미지를 획득하는 이미지 획득부;
    상기 획득부에서 획득한 액적의 이미지를 분석하여 이미지 값이 급변하는 지점의 좌표를 얻는 처리하는 이미지 처리부; 및
    상기 좌표를 이용하여 액적의 접촉각을 산출하는 접촉각 산출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잉크젯 헤드는 액적의 방울 수를 이용하여 액적의 토출량을 제어하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 잉크젯 헤드는 인가되는 전압에 따라 토출되는 액적의 크기 또는 방울 수를 제어하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판 상에는 다수의 액적이 존재하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판 이동부는 상기 기판 상에 존재하는 다수의 액적 중 상기 이미지 획득부가 촬영하고자 하는 액적과 동일한 선상에 위치하도록 상기 기판을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 처리부는 상기 액적의 이미지에 관심영역을 설정하고, 상기 관심영역 내에 상기 액적의 이미지와 교차하는 직선을 동일한 간격으로 다수개 형성하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이미지 처리부는 상기 다수개의 직선 상에서 상기 액적의 이미지 값이 급변하는 다수개의 지점을 찾고, 상기 다수개 지점의 X좌표 및 Y좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접촉각 산출부는 상기 다수개 지점의 X좌표 및 Y좌표를 커브 피팅하여 직선을 구하고, 구해진 직선의 기울기로부터 액적의 접촉각을 산출하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 접촉각 산출부는 상기 기판의 특성에 따라 상기 액적의 접촉각이 변화하는 정도를 산출하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 접촉각 산출부는 상기 액적의 양에 따라 상기 액적의 접촉각이 변화하는 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
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