웨어러블 제품에 대한 산업용 잉크젯 인쇄

웨어러블 제품에 대한 산업용 잉크젯 인쇄

'웨어러블', '웨어러블 기기', '웨어러블 기술'은 모두 소비자가 착용할 수 있는 전자 기술 또는 컴퓨터를 가리키며, 흔히 건강 및 피트니스 관련 추적 정보를 포함합니다. 손목 착용 기기, 머리 착용 기기, 안경, 팔 착용 기기, 다리 착용 기기, 신발, 피부 패치, 외골격, 전자 섬유 등이 포함되며 기기 시장은 매우 큽니다. 산업용 잉크젯은 제품에 직접 기능성 및 비기능성 맞춤 인쇄를 할 수 있는 유일한 디지털 기술입니다.

핵심 요약

• 잉크젯은 웨어러블 제품에 직접 기능성 및 비기능성 맞춤 인쇄를 할 수 있는 유일한 디지털 기술입니다.
• 판매를 이끄는 것은 인쇄 자체가 아니라 맞춤화입니다. 브랜드는 이를 통해 충성도를 높이고 디자인 피드백을 수집합니다.
• 이제 피부 접촉 인증이 기대됩니다. 2014년 웨어러블 기기 100만 대 리콜 사태 이후 공급업체는 소재를 피부 접촉 표준에 맞춰 인증합니다.
• 장기간 피부에 접촉하도록 의도된 소재 배합에서는 PPD(p-페닐렌디아민) 같은 자극 물질을 주의해야 합니다.
• 잉크젯은 아날로그 인쇄보다 섬세하여 프린트헤드, 잉크, 컨트롤러, 전처리, 경화를 하나의 시스템으로 통합해야 합니다.

맞춤화 수요

맞춤화 수요는 건강 및 피트니스 성능 제품이든, 스마트워치든, 수백 가지에 이르는 다른 인터랙티브 밴드 제품이든 판매를 이끕니다. IDTechEx는 최근 기사에서 웨어러블 전자 산업이 2015년 200억 달러에서 2025년 700억 달러에 가깝게 성장한다고 밝혔습니다.1 의료, 피트니스, 웰니스를 아우르는 헬스케어 분야가 계속 주도적인 부문일 것입니다. 이 분야에는 Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP, Roche 같은 유명 기업이 가장 유망한 신규 개발 뒤에 가장 많이 포진해 있습니다. Bain & Company에 따르면 제품 맞춤화는 브랜드의 매출 증대에 도움이 되며 기회도 상당합니다.2 쇼핑객의 최소 25~30%가 맞춤화 옵션에 관심이 있는 것으로 추산됩니다. 일부 시장에서는 이것이 부문당 연간 20억 달러에 해당합니다. 두 가지 중요한 추세가 나타났습니다. 첫째, 오늘날의 소비자는 자기 표현이 더 강하고, 둘째, 맞춤화가 새로운 충성도라는 점입니다.

자주 묻는 질문

인쇄 관점에서 '웨어러블'에는 무엇이 해당합니까?

소비자가 착용하는 전자 기술 또는 컴퓨터로, 흔히 건강 및 피트니스 데이터를 추적합니다. 실제로는 손목 착용 기기, 머리 착용 기기, 안경, 팔 착용 기기, 다리 착용 기기, 신발, 피부 패치, 외골격, 전자 섬유 등을 아우르며, 경질 제품일 수도 있고 유연한 제품일 수도 있습니다.

패드 인쇄나 스크린 인쇄가 아니라 잉크젯을 사용하는 이유는 무엇입니까?

맞춤화가 상업적 동력이기 때문입니다. 잉크젯은 제품에 직접 맞춤 인쇄를 할 수 있는 유일한 디지털 기술이므로 제품마다 다른 내용을 담을 수 있습니다. 아날로그 방식의 인쇄 중단/재개 공정은 상대적으로 생산성이 낮고, 범용 제품에 여러 색상을 인쇄하는 것은 비용 면에서 거의 불가능합니다.

웨어러블 제품의 잉크에는 어떤 안전 표준이 적용됩니까?

장기간 피부에 접촉하도록 의도된 소재는 피부 접촉 표준에 맞춰 인증되며, 이러한 흐름은 한 제조업체가 2014년에 웨어러블 기기 100만 대를 리콜한 후 가속화되었습니다. 배합은 PPD, 즉 p-페닐렌디아민 같은 피부 자극 물질을 피해야 합니다.

잉크젯이 아날로그 인쇄보다 어려운 이유는 무엇입니까?

정밀도 때문입니다. 잉크젯은 노즐이 정확한 크기의 방울을 정밀하게 분사해야 하며, 고품질 시스템은 프린트헤드, 잉크, 전자 컨트롤러, 전처리, 경화를 동시에 통합해야 합니다. 이 모든 요소가 함께 작동해야 의도한 결과를 얻을 수 있습니다.

UV 경화형 잉크젯 잉크는 다른 잉크 유형과 어떻게 다릅니까?

폴리머가 경화 중에 모노머와 올리고머의 연쇄 반응으로 형성됩니다. 모노머는 잉크 캐리어 역할을 겸하는 저점도 액체이므로 물이나 용제가 필요 없으며, 그래서 UV 잉크는 고형분 100%입니다.

웨어러블 제품에 대한 잉크젯 인쇄

이 글은 인터랙티브 전자 기기와 시계에서부터 운동화, 의류, 3D 프린팅 제품에 이르기까지 성형된 웨어러블 제품에 잉크젯 인쇄로 '맞춤화'하는 데 초점을 둡니다. 가장 먼저 등장했고 가장 널리 알려진 웨어러블 중 하나가 Disney의 손목 밴드로, 'MagicBand'라고도 합니다. 각 밴드에는 RFID와 2.4GHz 무선 전화기에 쓰이는 것과 같은 무선 장치가 들어 있습니다. 이 밴드는 방문객을 공원 안의 방대하고 강력한 센서 및 모바일 앱 시스템에 연결하여 결제 수단, 공원 입장권, 객실 키 등의 역할을 합니다. 대부분의 밴드는 (성형 상태의) 단색입니다. 각 밴드의 안쪽 면에는 식별 정보가 레이저 마킹되어 있습니다(위 참조. 사진 출처: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). 미리 디자인되어 장식된 밴드는 소매점에서 판매됩니다. 그러나 세상에 하나뿐인 특별한 경험을 원하는 애호가들은 미술용품점에서 구할 수 있는 어플리케, 데칼, 임시 타투, 커버 밴드, 페인트를 사용해 노동집약적인 여러 단계를 거쳐 밴드를 직접 만듭니다.

잉크젯 인쇄는 다양한 응용 분야에서 독특하거나 복잡한 패턴으로, 또는 새로운 기재에 기능성 유체를 증착할 수 있는 고유한 능력 덕분에 첨단 제조 공정을 이끌고 있습니다. 예를 들어 모든 기술을 위한 전도성 잉크가 여러 분야, 특히 유연 기재에서 새로운 길을 열고 있습니다. 은, 유기 전도성 폴리머, 그래핀, 탄소 나노튜브 잉크가 유연 전자 전반에서 회로와 커넥터에 사용되고 있습니다. 잉크젯 인쇄를 통해 이들은 의류(예: 스키 재킷)에 인쇄된 버튼(박막 터치 버튼)과 모바일 기기, 수동 또는 능동 RFID 태그, LED 조명 사이를 잇는 커넥터로 활용됩니다. 유기 발광 다이오드(OLED) 기술은 유연할 뿐만 아니라 잉크젯을 이용하면 겉옷의 식별, 안전 또는 장식용으로도 맞춤 제작할 수 있습니다. 또한 잉크젯으로 서로 다른 소재를 여러 층 인쇄하여 6개 이상의 뚜렷한 층으로 이루어진 구조물을 만들고 있습니다.

진정한 신축성 도체는 어떤 기술에서도 드뭅니다. 퍼듀 대학교는 잉크젯 인쇄가 가능한 새로운 종류의 액체 금속 도체를 발표했으며, 늘어나는 고무 같은 소재에 적합함을 입증했습니다.3 이를 통해 컴퓨터와 상호작용하거나 치료 목적으로 사람이 착용할 수 있는 유연한 로봇과 신축성 의류라는 새로운 분야가 가능해질 수 있습니다.

접착제는 웨어러블의 초석이며 복잡한 형상(예: 운동화)에 필요한 경우가 많습니다. 로봇으로 제어되는 대형 액적 크기의 프린트헤드가 점점 더 다양한 불규칙 구조물에 접착제를 도포하여 과잉 없이 전면을 채우면서 소량 생산과 잦은 변경에도 대응합니다. 라텍스 잉크젯 접착제는 기존 배합과 동등한 성능을 낼 수 있습니다. 자외선(UV) 및 전자빔(EB) 경화형 잉크젯 접착제도 점점 늘고 있어 이종 소재를 접착하면서 즉시 경화하려는 요구를 충족합니다.

UV 경화 잉크젯은 아우터웨어, 배지, 반사 장비, 운동 장비, 운동화에 인기가 높습니다. 대부분의 인쇄는 트레이나 형틀에 템플릿으로 정확하게 배열한 제품이 왕복 프린트헤드 아래를 통과하는 방식으로 이루어집니다. 높은 생산성이 필요하면 고정된 풀 폭 프린트헤드를 갖춘 단일 패스 프린터가 벨트로 이송되는 제품에 분당 60피트 이상의 속도로 이미지를 인쇄합니다. 벨트에 트레이가 있어 제품이 항상 고정된 위치에 놓이는 경우가 많으며, 프린터가 카메라로 제품의 위치와 방향을 파악하여 그에 맞춰 이미지를 토출하기도 합니다. UV 경화를 위해 프린트헤드 뒤에 램프가 있습니다. LED 램프는 긴 수명, 일정한 출력, 적은 오존 발생, 낮은 에너지 사용 덕분에 점점 인기를 얻고 있습니다. 웨어러블 제품에서 가장 큰 가치는 열이 적어 기재가 거의 가열되지 않는다는 점입니다. 열에 민감한 플라스틱, 직물, 필름에도 수축이나 변형 걱정 없이 인쇄할 수 있습니다. 에너지 경화 잉크 사용자에게 주의할 점이 있습니다. 액상 잉크는 위험하므로 안전성과 내구성을 위해 항상 제대로 경화해야 합니다.

UV 경화형 잉크젯 잉크

잉크젯 인쇄는 아날로그 인쇄보다 훨씬 복잡하고 섬세합니다. 잉크젯은 노즐이 정확한 크기의 방울을 정밀하게 분사해야 합니다. 고품질 잉크젯 인쇄 시스템은 프린트헤드, 잉크, 전자 컨트롤러, 전처리, 경화를 동시에 통합해야 합니다. 이 모든 요소가 함께 작동해야 의도한 결과를 얻을 수 있습니다.

UV 경화형 잉크젯 잉크는 즉시 건조됩니다. UV 잉크 인쇄가 다른 유형과 다른 점은 경화 중에 모노머와 올리고머의 연쇄 반응으로 폴리머가 형성된다는 것입니다. 모노머는 점도가 낮은 액체이므로 액상 잉크 캐리어 역할도 하며 물이나 용제가 필요 없습니다. 그래서 UV 경화 잉크는 고형분 100%이며 용제 잉크의 이상적인 대안이 됩니다. 올리고머(더 큰 반응성 분자)는 여러 화학 작용기를 가지며 바인더를 제대로 형성하는 데 중요합니다.

중합은 UV 광에 잠시 노출되면 시작됩니다. UV 광은 가시광선보다 파장이 짧고 에너지가 높은 전자기 방사선입니다. 근자외선(파장 390–200나노미터)이 대부분의 UV 경화에 사용됩니다. 이는 다시 UV-A(390–320나노미터, 장파), UV-B(320–280나노미터, 중파), UV-C(280–200나노미터, 단파)로 세분됩니다. 근자외선 외에도 원자외선(200–10나노미터)과 심자외선(31–1나노미터) 등의 UV 범주가 있습니다. 기존 수은 UV 경화 램프에서 가장 일반적인 피크 파장은 365나노미터이며, 수은 I-line(광 스펙트럼)이라고도 합니다.

인쇄된 웨어러블 제품은 소비자가 손에 쥐고 아주 가까이서 눈으로 검사합니다. 영숫자 텍스트는 6포인트 이하일 수도 있습니다. 눈에 띄는 인쇄 결함을 피하고 가독성을 확보하려면 고해상도 인쇄가 필요합니다. 고해상도 잉크젯 인쇄에는 기재 위 도트의 간격과 도트를 이루는 방울의 크기(부피)라는 두 가지 주요 요소가 있습니다. 고해상도는 방울을 촘촘하게 배치하여(현재 최대 1,800 x 1,800dpi) 얻으며, 일반적인 왕복 헤드 프린터에서는 여러 번의 패스와 미세한 이송이 필요합니다.

UV 반응 성분은 광개시제로, 에너지를 흡수하고 분해되어 유형에 따라 자유 라디칼 또는 양이온인 반응성이 매우 높은 화학종을 생성하는 화합물입니다. 각 화학종은 모노머 또는 올리고머의 한 부분과 결합하여 활성을 다른 부분으로 전달하고, 그 부분이 다시 다른 모노머와 반응하는 식으로 폴리머를 형성합니다. UV 잉크는 안료 착색제를 사용합니다. 배합 및 잉크 제조 기술의 발전으로 제조업체는 흰색(W)을 제공할 수 있게 되었으며, 이는 어두운 색상의 기재 위 바탕이나 투명 소재의 배경으로 특히 유용합니다. 잉크젯 기본색인 시안, 마젠타, 옐로, 블랙(CMYK)을 함께 쓰면 넓은 색역을 제공합니다.

햇빛에 의한 변색은 인쇄 내구성의 주요 우려 사항이 될 수 있습니다. UV 잉크는 염료가 아닌 안료를 사용하므로 데스크톱 잉크보다 본질적으로 햇빛에 덜 민감합니다. 자동차 도료 업계의 안료로 잉크를 만들면 매우 우수한 내변색성을 얻을 수 있습니다. 비용은 더 들지만 프리미엄 잉크에 사용됩니다. 햇빛은 폴리머도 열화시켜 백화(초킹)와 취성을 일으킬 수 있습니다. 5년간 연속 옥외 광 노출은 흔히 충족되는 기대치입니다.

첨가제는 모든 잉크 배합에 필수적입니다. 플라스틱 인쇄용 잉크에는 흔히 접착 촉진제가 들어 있습니다. 잉크젯의 핵심인 토출과 액적 형성에는 점도 조절제와 계면활성제의 세심한 균형이 필요합니다. 균형이 맞지 않으면 잉크가 미스트 형태로 퍼지거나 헤드에서 젖어 번질 수 있으며, 둘 다 바람직하지 않습니다. 이러한 성분은 기재 위에서의 잉크 젖음과 흐름, 즉 접착과 도트 게인도 제어합니다. 대개 특정 표면 화학에 맞춰 최적화되지만 한계가 있습니다. 예를 들어 저표면에너지 기재를 적시는 잉크는 프린트헤드에서 새어 나옵니다. 이 때문에 많은 표면은 잉크가 기능하는 범위에 들도록 처리해야 합니다.

잉크젯 잉크는 점도와 표면 장력이 낮아 아세탈, 폴리올레핀, 폴리우레탄 같은 많은 폴리머 기재에서 접착 결합에 어려움이 생깁니다. 이러한 종류의 화학적으로 불활성인 플라스틱은 소수성이며 자연 상태에서는 젖음성이 없습니다. 일반적으로 기재의 표면 에너지가 액체의 표면 장력보다 약 8~10 dynes/cm 높을 때 허용 가능한 접착 결합을 얻을 수 있습니다.

인쇄기의 속도도 잉크의 유효 표면 장력에 영향을 줄 수 있습니다. 정적으로 표면 장력이 25 dynes로 측정되는 잉크가 고속 인쇄기에서는 동적으로 표면 장력 40 dynes인 잉크처럼 거동할 수 있습니다. 잉크젯 프린트헤드와 인쇄 시스템이 토출하는 유체에 미치는 작용은 토출 중 그리고 인쇄 표면 및 다른 잉크나 코팅 층과 상호작용하는 동안 유체 성분이 재배열되는 방식에 상당한 영향을 줄 수 있습니다.

처리의 정도 또는 품질은 플라스틱 표면의 청결도에 영향을 받습니다. 최적의 전처리와 이어지는 잉크 접착을 위해서는 표면이 깨끗해야 합니다. 실리콘 이형제, 먼지, 분진, 그리스, 오일, 지문 같은 표면 오염물은 처리를 방해합니다. 소재의 순도도 중요한 요소입니다.

결론: 토털 솔루션 방법론

웨어러블 제품용 폴리머 소재와 잉크젯 인쇄를 개발하려면 토털 솔루션 방법론이 필수적입니다. 소비자 요구와 기능이 발전함에 따라 장기간 피부 접촉용으로 지정된 소재에 대한 요구도 높아집니다. FitBit이 2014년에 웨어러블 기기 100만 대를 리콜한 이후 공급업체들은 소재를 피부 접촉 표준에 맞춰 인증하고 있습니다. 잉크젯 인쇄 공정 관리도 똑같이 중요합니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.

• PPD, 즉 p-페닐렌디아민처럼 피부를 자극하지 않는 소재 배합(가죽, 고무, 열가소성 폴리우레탄, 코폴리에스터 엘라스토머, 첨가제 포함).
• 내구성, 내화학성, 내UV성, 내스크래치성을 포함한 소재 요구 사항.
• ISO 10993-10:2010 – 의료기기의 생물학적 평가 – 제10부와 같은 독성에 관한 국제 규정 준수 표준.
• 우수한 잉크 접착. 표면으로 이행하는 저분자량 화합물을 최소화합니다.
• 잉크 유체 화학과 토출 성능.
• 제조 현장은 물론 키오스크에서도 설치하여 사용할 수 있는 견고한 프린터 시스템.

참고 문헌

• www.idtechex.com
• www.bain.com
• www.purdue.edu

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정(레이저 마킹, 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

Dene Taylor 박사는 2000년에 인쇄 및 포장 산업을 위한 SPF-Inc.를 설립하여 디지털 인쇄를 새로운 시장과 응용 분야에 맞게 적용하는 데 주력해 왔습니다. 나노 화학자인 그는 보유한 미국 특허 25건 중 절반가량이 디지털 인쇄와 관련되어 있습니다. SGIA, TAPPI, RadTech 회원입니다. [email protected]으로 연락하실 수 있습니다.

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