손 글씨 프린터의 부품개선에 따른 소음저감 연구

1.1 기술 연구의 개요

인터넷과 모바일(mobile) 기기를 중심으로 생활방식이 개선되면서 직접 필기구를 이용하여 작성된 문서를 보기가 점차 힘들어지고 있다. 문명이기의 발달로, 정형화된 서체로 인쇄된 서류나 홍보문서를 볼 때마다 글쓴이의 감정이나 진심을 제대로 느끼지 못하는 것이 사실이다. 간혹 접하게 되는 청첩장이나 편지에서조차 손 글씨를 보게 되는 기회도 매우 힘들어졌고, 심지어 서명조차도 스캔 받은 그림으로 대체될 정도이다. 본 연구는 기존의 대형 디지털 프린터를 소형화하여 개개인의 글씨를 인쇄하는 손 글씨 프린터의 소음저감에 대한 내용이다. 글쓴이의 인간적인 감정이나 진심을 전할 수 있는 손 글씨를 구현하는 소형 디지털 프린터의 시작품 개발단계에서 소음문제를 개선하기 위한 전산해석과 개선방안의 적용실험을 실시하고 그 결과를 제품 설계에 반영하여 검증하고자 한다.

프린터 소음에 대한 다양한 연구가 시도되었는데, 잉크젯 방식의 소음도 기준 만족에 대한 연구^[1]와 프린터 부품소음에 대한 감성소음평가^[2] 및 레이저 프린터의 소음개선^[3-5] 등이 대표적이라 하겠다. 하지만, 본 연구에서 고려하는 손 글씨 프린터는 일반적인 프린터와 같이 잉크젯이나 토너를 이용하는 것이 아니라, 볼펜과 같은 필기구를 직접 프린터에 장착하여 문서를 작성하는 기기이다. 기존의 플로터(plotter) 형식의 대형프린터를 단순히 크기만 줄인 것도 아니며, 잉크를 분출하는 헤드의 설계와도 근본적으로 차이가 있다고 할 수 있다.

1.2 기술 연구의 목표

사무실의 조용한 환경에서 사용하기 위해서는 프린터의 작동 소음이 낮아야 함에도 불구하고 이를 만족시키지 못하는 소형 프린터의 개선이 본 연구의 관심이다. 프린터 헤드의 중량, 베어링의 변경 및 프린터 본체의 강성변화 등의 개선을 시도하고, 소형 프린터에서 손 글씨를 모사하는 한글과 영어인쇄 및 글자 크기에 따른 소음특성의 변화 등을 비교･검토하였다.

2.1 기본 구조

손 글씨 프린터는 사람마다 천차만별의 필기체를 포괄적으로 나타낼 수 있는 데이터의 확보가 필요하며, 각 개인의 특징적인 서체를 표현하는 소프트웨어의 개발이 중요하다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 초기 소프트웨어 개발에 따른 시제품의 인쇄과정에서 발생하는 하드웨어의 소음현상 저감에 주목하였다. 즉, 다양한 필기체에 대한 소프트웨어의 추가 개선에 앞서서 실제 필기구를 장착한 상태에서 구현되는 손 글씨 출력과정의 소음현상을 파악하여 개선방안을 강구하는 것을 목적으로 하였다.

볼펜과 같은 필기구를 직접 장착하여 손 글씨형태로 인쇄하는 프린터는 Fig. 1과 같은 구조로 설계･제작되었으며, 손 글씨 결과를 확인하기 위한 출력은 Fig. 2에서 보여주고 있다. Fig. 2는 상대적인 폰트 크기에 따른 영어 필기체의 출력사례이다.

Fig. 1

Prototype of handwriting printer

Fig. 2

The printed letters of handwriting printer

프린터의 핵심부품이라 할 수 있는 헤드는 Fig. 3과 같이 펜 홀더, 프레임 및 센서부위로 구성되어 있다. 글씨가 인쇄되는 방향을 x축으로 설정하면, 펜 홀더는 z축 이송을, 프레임은 x축 이송을 각각 담당하며, y축 이송은 종이를 이동시키는 롤러에 의해서 작동하는 구조이다.

Fig. 3

Each parts of head assembly

2.2 손 글씨 프린터의 소음현상 파악

초기 제작한 시제품에서 적은 글씨체의 한글과 영어 필기체의 인쇄과정에서 발생하는 소음을 각각 측정하였다. Fig. 4와 같이 사람의 귀에 민감한 영역인 1 kHz 영역에서 큰 피크값을 가지며 전체 소음레벨은 한글 56.1 dB(A), 영어 55.3 dB(A) 수준의 높은 경향을 나타냈다.

Fig. 4

Overall noise level of handwriting printer

이는 프린터의 상품성에 큰 영향을 준다고 볼 수 있으며, 이러한 소음은 프린터 본체의 구조진동을 포함하여 헤드와 펜 홀더의 x, z축 이동을 위한 모터소음 및 펜과 종이의 접촉과 인쇄과정을 비롯하여 y축 방향의 종이 이동을 위한 롤러작동 등에 따른 제반소음이 포함된 결과라 할 수 있다.

일반적으로 프린터는 컴퓨터 사용자의 주변에 위치하기 때문에, 인쇄과정에서 발생하는 시제품의 소음레벨은 현 수준보다 더욱 개선시켜야 함을 시사한다.

3.1 전산해석

프린터 작동과정의 소음현상을 저감시킬 수 있는 개선방안을 강구하기 위하여 전산해석을 실시하였다. Fig. 5는 전산해석을 위한 모델링을 나타내며, 1 m 내외의 길이로 구성된 21만 개의 유한요소(finite element)로 구성하였다. 각 부품별 구속조건은 양쪽 지지판(mount)은 바닥에 고정되었고, 헤드의 좌우 이동(x축 방향)을 가능케 하는 2개의 지지 샤프트는 지지판에 압입되며 헤드는 샤프트의 축 방향 이동이 가능하도록 설정하였다.

Fig. 5

Modeling of numerical analysis

해석절차는 MSC Nastran을 이용하여 연산한 후, 진동소음 전용 소프트웨어인 FE-Gate를 통한 전후처리를 통해서 해석결과를 분석하였다.

전산해석 결과를 검토하면 헤드와 샤프트 및 지지판의 고유진동수 중에서 Fig. 6과 같이 1 kHz 영역에 해당하는 고유진동수(961.7 Hz)가 존재함을 알 수 있다. 추가로 헤드의 질량(68.6 g)을 15% 저감시켰었을 경우의 전산해석을 실시하여 고유진동수 변화현상도 함께 비교하였으나, 전체 프린터 부품과 비교할 때 10 g 내외의 저감으로는 고유진동수의 뚜렷한 감소효과를 얻을 수 없었다. 이러한 결과는 헤드의 무게저감으로는 프린터의 구조진동에서 기대할 수 있는 특성변화는 매우 적다고 판단할 수 있다. 프린터 작동 시에 측정한 소음 데이터에서는 1 kHz 영역에서 큰 피크값을 나타냈으므로, 이와 관련될 수 있는 여타 프린터 부품의 특성을 파악하기 위해서 추가의 전산해석을 실시하였다.

Fig. 6

Natural frequency of handwriting printer

헤드를 지지하면서 좌우방향의 이동을 가능케 하는 샤프트의 직경을 증가시키면서 해석한 결과, 1 kHz 영역에 해당하는 고유진동수는 뚜렷한 상승추세를 나타냄을 확인할 수 있었다. 샤프트의 직경을 기존 4 mm (고유진동수 961.7 Hz)에서 6 mm로 증가시키면 1,043.9 Hz로, 8 mm에서는 1,143.2 Hz로 변화되었다. Fig. 7은 지지 샤프트의 직경증대에 따른 고유진동수의 증가추세를 보여준다. 이러한 고유진동수 변화현상은 샤프트의 강성증대로 인한 증가효과로 볼 수 있다.

Fig. 7

Numerical results by changing diameter of shaft

Fig. 8은 샤프트의 직경증대에 따라 변화하는 각각의 프린터 헤드와 샤프트 등의 진동모드를 나타낸다.

Fig. 8

Vibration mode of each natural frequency

Fig. 8의 진동모드 결과에서 헤드와 샤프트 및 지지판의 변형 에너지를 비교하면 Table 1과 같이 정리된다. 여기서 표현된 숫자는 ESE (element strain energy) 총합 값으로, 고유진동수의 진동모드에서 주요 부품들에 작용하는 변형 에너지 분포의 백분율을 나타낸다.

Table 1

ESE SUM Value(Unit : %)

헤드의 무게저감(15%)을 고려한 전산해석에서는 고유진동수의 변화효과를 얻을 수는 없었지만, 샤프트의 직경증대에 따른 진동모드의 변형 에너지 분포에서는 샤프트에 비해서 헤드와 지지판의 변화가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 해석결과를 근거하여 손 글씨 프린터의 소음저감 개선방안을 헤드의 무게저감과 함께 지지 샤프트의 직경변화를 포함하는 구조변경으로 결정하였다.

3.2 헤드의 무게저감

손 글씨 프린터의 헤드는 볼펜과 같은 필기구를 직접 장착하는 방식이므로, 인쇄과정에서 좌우와 상하방향의 빈번한 움직임이 발생하는 주 소음원이라 할 수 있다.

초기 설계사양의 헤드무게는 68.6 g이고 적층방식의 3D 프린터로 제작되었다. 여기에는 펜 홀더의 작동모터(GM15 type, 14.8 g)와 리니어 베어링(LM4UU type, 3.8 g) 및 펜 홀더(15.0 g)가 포함된 값이다. 헤드의 무게 저감을 위해서 재료를 레진(resin)으로 변경하고, 뒤에서 언급할 베어링 개선을 통해서 총 무게는 57.8 g으로 저감시켰다. 이는 약 16%의 저감 효과를 가지며, 전산해석의 결과에서 파악한 진동모드의 변형 에너지 분포에 영향을 끼칠 수 있으리라 기대할 수 있다.

다만 펜 홀더의 구동모터와 이에 연결되는 알루미늄 재질의 캠은 초기 설계사양을 유지했는데, 추후 소음 저감의 목적뿐만 아니라 인쇄 속도의 증가에 따른 인쇄품질의 개선이 필요할 경우에는 고려대상이 되겠다.

3.3 헤드 내부 베어링의 변경

헤드의 x축(글씨가 인쇄되는 방향) 이동에서는 지지 샤프트와 헤드 간의 마찰력 감소가 필수적이라 하겠다. 초기 설계사양은 헤드 프레임에 삽입식 리니어 베어링(linear bearing)을 장착하였으며, 인쇄과정에서 x축 방향의 급격한 가감속 운동이 소음발생에 큰 영향을 끼치는 것으로 판단하였다.

따라서 기존의 베어링을 삭제하고, 원형 볼로 둘러싸인 부싱(bushing)형태의 개선안을 적용하였다. 3D 프린터를 이용하여 적층방식이 아닌 레진을 채택한 MSL (mask lithography) 방식을 활용하여 일괄 제작하였다. 이를 통해서 헤드와 지지 샤프트 간의 점접촉을 3차원 나선형상을 추종하는 선 접촉으로 개선시킴과 동시에 무게저감 효과를 얻을 수 있었다. Fig. 9은 삽입식 리니어 베어링이 제거된 헤드를 보여주며, 초기사양(68.6 g)에 비해서 저감된 무게(57.8 g)를 확인할 수 있다.

Fig. 9

Head without bearing

3.4 헤드지지 샤프트의 직경변경

전산해석에서 헤드를 지지하는 샤프트의 직경을 증가시킬수록 1 kHz 영역에 위치하는 프린터 구조물의 고유진동수가 변화됨을 확인한 바 있다. 따라서 헤드를 지지하는 샤프트의 직경을 초기 4 mm에서 동일한 알루미늄 재질의 6 mm로 증대시켰다. 펜 홀더의 z축 이동을 위한 샤프트는 초기 설계안을 유지하였다.

4.1 개선방안의 적용과 소음측정

전산해석에 따른 개선방안의 적용을 헤드의 무게 저감과 베어링의 삭제 및 샤프트의 직경변화를 기준으로 구분하였다. 초기사양(initial)에 비해서 개선방안 1 (version 1)은 리니어 베어링의 삭제와 헤드의 무게를 약 16% 저감시킨 사양이다. 또한 개선방안 2 (version 2)는 추가로 지지 샤프트의 직경을 6 mm로 증대시킨 사양이다. Table 2는 손 글씨 프린터의 소음저감을 위해 제안한 개선방안의 세부내역을 보여준다.

Table 2

Comparison between initial and version 1, 2

손 글씨 프린터의 출력과정에서 인쇄하는 글자체(한글, 영어) 및 크기에 따른 특성 또한 중요한 인자라고 할 수 있다. 그 이유는 다양한 인쇄조건에 따라서 헤드를 비롯한 각종 부품의 작동속도 변화가 크게 발생하기 때문이다. 초기사양과 개선방안 1, 2 각각에 대해서 동일한 문장의 한글과 영어 필기체를 대중소의 글자크기로 구분하여 인쇄할 때 발생하는 소음변화를 비교하였다.

여기서 언급한 글자크기는 중간 크기의 폰트를 기준으로 ±50% 씩 각각 증가 또는 축소된 폰트를 뜻한다. 동일한 문장의 인쇄과정에서 한글과 영어 필기체 모두 글자크기가 커질수록 인쇄시간이 증가되는 경향을 가졌다. Table 3과 Fig. 10은 초기사양과 각 개선방안에 따라 측정된 각각의 소음레벨을 비교한 결과를 나타낸다.

Fig. 10

Noise level of each prototype

Table 3

Test results of printing noise at each condition(Unit : dB(A))

4.2 적용결과의 고찰

한글과 영어의 글자크기를 대중소의 3가지 종류로 구분하여 동일한 문장의 인쇄과정에서 발생하는 소음레벨을 비교하였다. 한글의 인쇄과정에서는 개선방안의 적용으로 뚜렷한 소음감소 효과를 얻을 수 있었다. 또한 인쇄하는 한글의 글자 크기가 커질수록 소음이 더욱 저감되는 경향을 나타냈다.

한글과 영어 필기체의 인쇄과정에서 개선방안 1의 개선효과가 있었으며, 개선방안 2는 한글에서는 소음 저감 효과를 보았지만 영어에서는 별다른 감소효과를 보이지 않았다. 이는 베어링 삭제 및 헤드무게의 저감이 한글 인쇄에서는 유효한 소음 개선효과를 가짐을 알 수 있다.

반면에 영어 필기체의 인쇄과정에서는 큰 글자 외에는 한글에 비해서 소음이 적은 경향을 보였지만, 글자크기에 따른 소음의 변화가 거의 발생하지 않았다. 하지만 개선방안 1의 적용으로 소음 저감 효과를 부분적으로 얻을 수 있었다.

한글과 영어 인쇄과정의 소음특성 차이점은 글자인쇄의 연속성에 기인한다고 할 수 있다. 한글은 펜이 종이와 접촉했다가 떨어지는 과정이 많은 반면에, 영어 필기체의 경우는 펜과 종이의 접촉시간이 훨씬 긴 경향을 갖는다. 즉, 영어의 인쇄과정에서는 헤드의 가속도변화가 크게 발생하므로, 뚜렷한 소음 감소효과를 얻은 한글에 비해서 개선방안의 적용에 따른 소음 감소효과가 적었다고 사료된다. 이를 해결하기 위해서는 헤드의 속도제어를 위한 PID 제어변수의 세밀한 조정이 필요하겠으나, 이는 향후의 연구 과제라 할 수 있겠다.