[논문]전자 인쇄를 위한 잉크젯 프린팅 시스템 개발

권계시; 고정국; 김진원

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.10.1537

전자 인쇄를 위한 잉크젯 프린팅 시스템 개발
Development of Inkjet Printing System for Printed Electronics 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.10, 2010년, pp.1537 - 1541

권계시 (순천향대학교 기계공학과) , 고정국 (순천향대학교 기계공학과) , 김진원 (순천향대학교 기계공학과)

초록
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전자 인쇄 분야에 활용이 가능한 잉크젯 프린팅 시스템을 개발하였다. 목표한 위치에 정확하게 이미지를 패터닝 하기 위한 프린팅 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어를 개발 하였다. 이를 위하여 패턴 카메라와 선택된 노즐 간의 거리를 구할 수 있는 소프트웨어 알고리즘을 개발하였다. 또한 AutoCAD 의 dxf 파일을 이용하여 XY 스테이지를 동시에 움직여서 프린팅할 수 있는 벡터 프린팅 방법을 개발하였다. 또 다른 프린팅 방법으로 비트맵 이미지를 이용하여 복잡한 이미지를 출력할 수 있는 래스터 프린팅 방법을 개발하였고, CAD 를 이용한 래스터 프린팅 방법과 그 때 생기는 기술적인 문제들을 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An inkjet printing system for printed electronics was developed. In this study, a printing algorithm was mainly discussed. In order to print a pattern image at a target location, we developed a hardware and software algorithm for determining the distances between a substrate camera and the selected nozzles. We implemented a vector-printing algorithm where AutoCAD dxf file was used for XY motion control and for printing. We also developed printing method using bitmap images. The technical issues in using CAD drawings and bitmap images were discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(4~8) 따라서 본 논문에서는 프린팅을 위한 알고리즘 및 시스템 통합에 대해서 보다 자세하게 기술하려고 한다. 본 논문에서는 시스템 개발 및 하드웨어 통합을 실험실에서 수행하였으며 이를 통합하는 소프트웨어는 NI 사의 LabVIEW software 를 이용하여 구현하였다.
그러나 헤드와 드라이브가 고가격이라는 문제점이 있다. 본 연구에서는 1 개의 드라이브가 여러 노즐을 동시에 사용이 되는 저가헤드인 Dimatix 사의 SE128 헤드인 경우 기울였을 경우 주 방향인 Y 방향의오차를 감소시키기 위한 방법에 대하여 논의 하려고한다.
그러나 기존의 상용화된 장비는 연구자가 직접 필요에 따라서 소프트웨어 및 하드웨어 변경하는 것이 어렵기 때문에 연구자가 직접 개발을 하여 시스템을 계속해서 개선할 필요가 있다. 본 연구에서는 시스템을 개발 하여 전자재료를 패터닝(patterning)에 대응할 수 있는 다양한 기능을 갖고 언제든지 필요에 따라서 소프트웨어 및 하드웨어 개선이 가능한 프린팅 장비를 개발 하였다. 또한 다양한 창의적인 프린팅 알고리즘 및 잉크젯 측정 밥법등 의 아이디어를 실제 구현을 통하여 사용자 편의성을증대시켰다.
이를 위한 프린팅 알고리즘 및 얼라인먼트 알고리즘을 구현하였고 이때의 기술적인 이슈에 대하여 기술하였다. 이러한 프린팅 알고리즘은 본 연구실에서 개발된 액적 측정 장치 및 잉크젯 모니터링 측정 알고리즘과 함께 통합되어 작동 상태 진단 및 파형 설계 자동화의 알고리즘과 결합하여 지능화된 프린팅 시스템 (intelligent printing system)을 만들기 위한 연구가 진행중이다.
정확히 토출 했던 곳으로부터 다른 이미지를 프린팅하기 위하여 카메라와 노즐간의 거리를 이용하는 방법에 대해서 기술하였다. 그러나 실제로 이전에 토출 했던 부분에 대해서 새로운 토출 해야 되는 정확한 위치를 패터닝 이미지상에 구현해야 된다.

제안 방법

본 연구에서는 시스템을 개발 하여 전자재료를 패터닝(patterning)에 대응할 수 있는 다양한 기능을 갖고 언제든지 필요에 따라서 소프트웨어 및 하드웨어 개선이 가능한 프린팅 장비를 개발 하였다. 또한 다양한 창의적인 프린팅 알고리즘 및 잉크젯 측정 밥법등 의 아이디어를 실제 구현을 통하여 사용자 편의성을증대시켰다.
리니어 모터의 엔코드 해상도는 0.5µm 를 사용하였으며 엔코더의 위치 정보는 패턴 제너레이터(pattern generator)에 연결이 되어 패터닝 이미지 데이터에 해당하는 데이터를 정확한 위치에 헤드로부터 토출 하도록 하였다.
9 과 같이 오차가 발생할 수 있다. 본 개발에는 오차의 범위를 설정하여 오차범위보다 크지 않은 경우 해당 노즐에서 토출 하지 않고 다음 swath 에서 토출이 되도록 프로그래밍 하였다. 그러나 노즐간의 거리와 프린트해야 될 이미지의 X 해상도가 일치 하지 않을 때 더 많은 swath 가 필요로 하고 모든 노즐이 동시에 토출이 되지 않기 때문에 프린팅 효율이 떨어지는 단점이 있다.
^(4~8) 따라서 본 논문에서는 프린팅을 위한 알고리즘 및 시스템 통합에 대해서 보다 자세하게 기술하려고 한다. 본 논문에서는 시스템 개발 및 하드웨어 통합을 실험실에서 수행하였으며 이를 통합하는 소프트웨어는 NI 사의 LabVIEW software 를 이용하여 구현하였다. 본 연구에서 개발된 소프트웨어 및 하드웨어의 전반적인 내용은 동영상을 통하여 참조 할 수 있다.
이를 위하여 노즐 밑면을 관찰할 수있는 카메라를 이용하여 노즐의 위치를 스캐닝 하여 위치 정보를 구하는 방법이 있다. 본 방법에서는 추가적인 카메라의 설치 없이 지정된 위치에 토출된 결과와 카메라로 이 이미지를 찾은후 노즐과 카메라의 위치 계산하여 그 차이를 보정해 주는 방법을 사용하였다.
본 연구에서는 Fig. 10 과 같이 추가 더미 이미지(dummy image)를 삽입하는 방법으로 Y 방향의 정밀도를 증가 시켰다. 이의 효과는 Y 방향의 트리거 간격을 이미지의 간격이 아닌 원하는 정밀도 만큼 증가 시켜서 패터닝을 함으로서 Y 방향의 토출 정밀도를 얻을 수 있었다.
12 와 같이 CAD 의 다층 레이어 도면을 사용하여 토출 시킬 패턴을 도면화 하였다. 이를 비트맵 이미지로 변환하여야 하므로 이를 위하여 CAD 에서 저장할때 pixel/mm 를 지정하여 비트맵 이미지를 만들었다. 다층 이미지를 비트맵 이미지로 바꿀때 치수는 정확하게 픽셀간의 간격을 통하여 변환이 되지만, 절대 위치의 정보는 없어지게 된다.
그러나 실제로 이전에 토출 했던 부분에 대해서 새로운 토출 해야 되는 정확한 위치를 패터닝 이미지상에 구현해야 된다. 이를 위하여 Fig. 12 와 같이 CAD 의 다층 레이어 도면을 사용하여 토출 시킬 패턴을 도면화 하였다. 이를 비트맵 이미지로 변환하여야 하므로 이를 위하여 CAD 에서 저장할때 pixel/mm 를 지정하여 비트맵 이미지를 만들었다.
전자 인쇄를 위한 프린팅 시스템을 개발하였다. 이를 위한 프린팅 알고리즘 및 얼라인먼트 알고리즘을 구현하였고 이때의 기술적인 이슈에 대하여 기술하였다. 이러한 프린팅 알고리즘은 본 연구실에서 개발된 액적 측정 장치 및 잉크젯 모니터링 측정 알고리즘과 함께 통합되어 작동 상태 진단 및 파형 설계 자동화의 알고리즘과 결합하여 지능화된 프린팅 시스템 (intelligent printing system)을 만들기 위한 연구가 진행중이다.
토출 되는 잉크의 토출 특성을 제어하기 위해 토출 되는 잉크 방울을 측정하고 이를 제어 하기 위하여 헤드에 인가되는 전압을 이용하여 토출 특성을 변화하는 것이 가장 일반적인 방법이다. 이를 위해 Fig. 4 와 같이 메인 화면으로부터 팝업 메뉴 형태로 사용자로부터 전압의 파라미터를 변화시킬 수 있도록 프로그래밍 하였다.
멀티 노즐인 경우 모든 노즐의 카메라로부터의상대 위치와 헤드의 기울기(tilting)각도등의 정확한 정보가 필요하다. 이를 위해 지정된 곳에 토출 된 곳을 비젼 알고리즘을 통하여 자동으로 찾은 후에 각 위치를 정보를 자동으로 찾는 기능을 구현하였다. 이를 통하여 헤드의 기울기 각도 뿐만 아니라 헤드의 토출 직진성 역시 분석하는 것이 가능하게 되었다.
잉크 액적을 관찰하기 위하여 토출 되는 주파수 제어 및 토출 신호로 부터의 시간 지연을 이용한 LED 제어를 위하여 NI 사의 PCI-6110 의 2 개의 카운터를 사용하였다. 잉크 액적 관찰을 위하여각 노즐의 위치와 카메라가 정확하게 얼라인먼트 (alignment) 되어야 한다.
일반적인 흑백이미지(8bit image)는 각 pixel 에 해당하는 값이 0~255 의 값을 갖는다. 잉크가 토출이 되는 부분과 토출이 안되는 부분을 만들기 위해서 바이너리 이미지(binary image)로 변환하였다. 실제로는 이미지의 진한 부분과 옅은 부분을 묘사하기 위한 다양한 알고리즘을 구현 할 수있으나 실제로 전자 인쇄를 위한 공정의 패터닝은 단순한 바이너리 이미지로 변환하여 프린팅을 하여도 충분하다.
전자 인쇄를 위한 프린팅 시스템을 개발하였다. 이를 위한 프린팅 알고리즘 및 얼라인먼트 알고리즘을 구현하였고 이때의 기술적인 이슈에 대하여 기술하였다.
잉크 액적 관찰을 위하여각 노즐의 위치와 카메라가 정확하게 얼라인먼트 (alignment) 되어야 한다. 전체 노즐의 토출 상태의 측정을 위하여 각 노즐의 토출 속도 및 체적의 측정이 자동으로 스캐닝이 되도록 프로그래밍 하였다. 전체 시스템 통합은 Fig.
잉크를 토출 시키는 헤드는 널리 사용되고 있는 단일 노즐 헤드인 Microfab (MJ-AT) 헤드와 Dimatix 사의 128 개의 노즐을 가지고 있는 SE128 이 서로 쉽게 변환이 가능하도록 하드웨어를 구성하였다. 헤드를 구동하기 위한 드라이브와 패턴 발생기(pattern generator)는 소프트메카 (www.softmecha.com) 사의 것을 이용하였으며 각 헤드에 최적화된 파형 및 프린팅 알고리즘이 변환이 가능하도록 프로그래밍 하였으며 GUI(graphical user interface)에서 사용자의 선택에 의해서 Microfab 또는 Dimatix 헤드에 맞는 최적화 소프웨어 알고리즘이 바로 적용이 되도록 하였다. Fig.
XY 스테이지 는 리니어 모터를 사용하였다. 헤드의 직각도와 상하 높이 및 기판으로 부터의 수평도를 조절하기 위해서 수동 스테이지를 적용하였다. 프린팅을 위한 기판의 크기는 240x270mm²이다.

대상 데이터

잉크젯 패터닝을 위한 위치 결정 시스템은 기판을 움직이기 위한 Y 스테이지(stage)와 헤드를 움직이기 위한 X 스테이지로 구성이 되어 있다. XY 스테이지 는 리니어 모터를 사용하였다. 헤드의 직각도와 상하 높이 및 기판으로 부터의 수평도를 조절하기 위해서 수동 스테이지를 적용하였다.
잉크를 토출 시키는 헤드는 널리 사용되고 있는 단일 노즐 헤드인 Microfab (MJ-AT) 헤드와 Dimatix 사의 128 개의 노즐을 가지고 있는 SE128 이 서로 쉽게 변환이 가능하도록 하드웨어를 구성하였다. 헤드를 구동하기 위한 드라이브와 패턴 발생기(pattern generator)는 소프트메카 (www.
일반적으로 잉크젯 헤드는 래스터 이미지 (raster image)로 패터닝을 하게 된다. 패터닝을 위한 이미지를 위하여 비트맵 이미지(bitmap image)파일을 이용하였다.
헤드의 직각도와 상하 높이 및 기판으로 부터의 수평도를 조절하기 위해서 수동 스테이지를 적용하였다. 프린팅을 위한 기판의 크기는 240x270mm²이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 잉크젯 헤드가 패터닝하는 이미지는 무엇인가?	일반적으로 잉크젯 헤드는 래스터 이미지 (raster image)로 패터닝을 하게 된다. 패터닝을 위한 이미지를 위하여 비트맵 이미지(bitmap image)파일을 이용하였다.
	잉크젯 기술이 제조 공정에서 이용되기 위해서는 어떤 기술이 필요한가?	잉크젯 기술이 발전함에 따라 사무용에서부터 전자 부품 및 디스플레이 제조로의 응용 범위가 넓어지고 있다. 이러한 잉크젯이 제조 공정으로서 응용 범위를 넓혀감에 따라 사무용 잉크젯프린터와 달리 잉크방울(ink drop)의 크기를 정밀 제어 하는 것과 원하는 위치에 수 마이크로미터이내의 정밀도로 정밀하게 토출 시키는 기술이 필요하다. 이러한 잉크젯 기술은 기존의 반도체 공정과 달리 비싼 재료를 낭비 하지 않고 공정이 이루어지고, 대형화가 용이하여 특히 전자 인쇄 분야에서 잉크젯을 양산 공정에 적용하려는 연구가 활발히 진행 되고 있다.
	국외에 잉크젯 공정을 위한 프린팅 시스템을 개발하고 있는 기업들에는 어떤 기업이 있는가?	국외에 잉크젯 공정을 위한 프린팅 시스템을 개발하고 있는 기업들은 Ulvac, AKT(Applied Materials) 등이 있고 헤드 업체인 Dimatix 역시 소형 연구용 장비를 판매하고 있다. 국내의 대표적인 업체로는 Unijet, (2) 디지아이(DGI) 등에서 연구용 장비를 생산하고 있다.

참고문헌 (9)

Creagh, L., McDonald, M. and Letendre, W., 2004, “Ink Jet Printhead as a Precision Deposition tool in Manufacturing FPDs,” SEMICON China, FPD Manufacturing Conference.
Kim, S.S., Kim D.S., Lee, W.H., Shin, D.Y. and Kim, C.H., 2006, “Ink-Jet Printing Technology for Paradigm Shift in Mass Production,” Journal of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 23, No.8, pp. 15-21,.
Oh, J.H., Kim, S.K., Yoon, H.Y., Oh, S.I., Kang, Y.M. and Kim, K.I., 2003, “Multi-Head Inkjet Patterning System for Manufacturing a Full Color Polymer Light Emitting Device (pLED),” Proceedings of KSME springing conference, pp. 1219-1225.
Kwon, K.S. and Kim W., 2007, “A Waveform Design Method for High Speed Inkjet Printing Based on Self-Sensing Measurement,” Sensors and Actuators A, Vol. 140, pp. 75-83.

상세보기
Kwon, K.S., 2009, “Waveform Design Methods for Piezo Inkjet Dispensers Based on Measured Meniscus Motion,” IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 18, No. 5, pp. 1118-1125.

상세보기
Kwon, K.S., 2009, “Speed Measurement of Ink Droplet by Using Edge Detection Techniques Measurement,” Vol. 42, No. 1, pp. 45-50.
Kwon, K.S., Myung, J.H., Um, T.J., Joo, Y.C. and Lee, S.W., 2009, “Relationship Between Ink Jetting Speed and Inkjet Input Waveform Parameters,” Vol. 26, No. 9. Pp. 143-147.
Kwon, K.S. and Myung, J.H., 2009, “Experimental Study on the Relationship Between Ink Droplet Volume and Inkjet Waveform,” Vol. 26, No.4, pp. 141-145.
Kwon, K.S., 2009, “Printing System Development,” website: http://www.youtube.com/watch?v1eG8kDujXr8,

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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