[논문]롤투롤 인쇄전자공정에서 중첩정밀도 향상을 위한 정렬패턴과 위치 측정시스템

서영원; 임성진; 오동호

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.12.1563

롤투롤 인쇄전자공정에서 중첩정밀도 향상을 위한 정렬패턴과 위치 측정시스템
Alignment Patterns and Position Measurement System for Precision Alignment of Roll-to-Roll Printing 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.12, 2012년, pp.1563 - 1568

서영원 (충남대학교 기계공학과) , 임성진 (서울대학교 차세대융합기술연구원) , 오동호 (충남대학교 기계공학과)

초록
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인쇄전자는 RFID 나 유연 디스플레이 등의 전자회로나 소자를 인쇄방식으로 제작하는 공정이다. 특히 롤투롤과 같은 웹 이송방식 프린팅은 얇은 필름형태의 웹(Web)에 그라비아 인쇄나 고속 잉크젯과 같은 방법으로 이송중인 웹 상에 회로를 형성하는 공법이다. 이 공정은 생산단가가 저렴하고 고속생산이 가능하다는 이점이 있다. 다층구조를 가지는 회로나 디바이스를 생산할 때, 층과 층을 얼마나 정확하게 중첩시켜 인쇄하는가 하는 것은 인쇄된 전자회로의 집적도와 성능을 결정짓는 중요한 요소이다. 인쇄전자공법을 상용화하기 위해서 높은 중첩정밀도 구현이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 롤투롤 인쇄방식에서 중첩정밀도의 향상을 위한 위치측정 시스템을 제안하고 신뢰성을 확인하였다. 또한 웹이 변형되었을 때의 측정 강인성도 실험적으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Printed electronics is a technology used for forming electronic circuits or devices, and it is used in the manufacture of many products such as RFID tags, solar cells, and flexible display panels with a much lower cost than in the case of semiconductor process technology. Web-guide-type printing such as roll-to-roll printing is a method used to produce printed electronic devices in a large volume. To commercialize such products, highly precise alignment between printed layers is required. In this study, a highly precise alignment system is proposed, and some experimental results are compared with those obtained using a laser surface vibrometer to illustrate the reliability of the proposed system. The robustness of the proposed system to web deformation is also considered experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 시간지연이 비교적 적으며, 웹의 가공정밀도에 의존하지 않는 측정방법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 신뢰도와 정밀도가 높은 측정시스템을 구성하기 위해서 광학측정시스템의 설계 및 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 웹에 직접 인쇄되는 정렬패턴을 제시하였고, 이를 이용하여 광학 측정 방법에 의한 웹 위치 측정시스템도 제시하고 적용 가능성을 알아보았다. 웹 위치 측정시스템은 웹의 이송거리, 위치와 속도 그리고 사행각을 측정할 수 있었다.
또한 제안한 측정 시스템은 단순한 정렬패턴의 세어읽기(count)가 아닌 보간(interpolation) 신호처리과정을 통해 정렬패턴의 크기보다 높은 해상도로 웹을 측정할 수 있다. 본 연구에서는 웹의 가공 정밀도 등에 의존하지 않고 신뢰도가 높은 정밀측정 시스템을 구성하기 위하여 광학 측정시스템을 설계 및 평가를 수행하였다. 또한, 측정의 신뢰성을 검증하기 위하여 레이저 표면 진동계를 이용하여 비교 측정하였다.

가설 설정

Table 2 는 제안한 4 체배 광학 측정시스템과 레이저 표면 진동계를 이용하여 측정한 결과를 비교한 것이다. 시도한 이송거리는 일반적인 인쇄전자 제품의 길이를 100mm 로 가정하여 이를 기준으로 정하였다. 측정한 결과로부터 약 0.

제안 방법

웹에 인쇄된 정렬패턴은 같은 간격의 반사, 무 반사 격자로 이루어진다. 광학 엔코더 내부의 격자(Index grating)를 통과한 빛이 웹에 새겨진 정렬패턴에 의해 반사되고, 엔코더 내부의 광학 센서를 통해 이 빛의 세기를 측정한다. 이 때 두 격자의 상대운동 때문에 빛의 세기가 달라지는데 이를 전기신호로 변환하여 출력하면 이 신호는 정현파의 형태를 가진다.
현재 가장 널리 사용되는 열풍 건조 방식은 열풍의 열이 장력과 함께 웹에 변형을 일으킬 수 있고, 웹의 변형으로 인한 정렬 패턴의 변형은 제안된 측정방법에 의한 측정을 불가능하게 할 수 있다. 따라서 일정 장력이 작용하는 웹에 열이 가해졌을 때 생기는 웹의 변형에 대해서 이송거리 측정이 가능한지 실험하였다. 실험은 열에 의한 변형을 조절하기 위해 열풍기를 사용하고 일정한 장력이 주어진 조건에서 패턴이 인쇄된 웹이 늘어나게 하여 측정하였다.
그리고 현재 사용되고 있는 비전시스템과 달리 2 도 인쇄부터는 인쇄과정 전에 정렬패턴을 검출하고 그 결과를 피드포워드 (feedforward) 제어하여 인쇄에 반영할 수 있으므로, 보다 정밀한 시스템을 구현할 수 있다. 또한 제안한 측정 시스템은 단순한 정렬패턴의 세어읽기(count)가 아닌 보간(interpolation) 신호처리과정을 통해 정렬패턴의 크기보다 높은 해상도로 웹을 측정할 수 있다. 본 연구에서는 웹의 가공 정밀도 등에 의존하지 않고 신뢰도가 높은 정밀측정 시스템을 구성하기 위하여 광학 측정시스템을 설계 및 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 웹의 가공 정밀도 등에 의존하지 않고 신뢰도가 높은 정밀측정 시스템을 구성하기 위하여 광학 측정시스템을 설계 및 평가를 수행하였다. 또한, 측정의 신뢰성을 검증하기 위하여 레이저 표면 진동계를 이용하여 비교 측정하였다. 여기서 사용한 레이저 표면 진동계는 레이저의 도플러효과를 이용해 속도나 이송거리를 측정하는 장비이며, 측정 정밀도는 측정거리의 0.
따라서 일정 장력이 작용하는 웹에 열이 가해졌을 때 생기는 웹의 변형에 대해서 이송거리 측정이 가능한지 실험하였다. 실험은 열에 의한 변형을 조절하기 위해 열풍기를 사용하고 일정한 장력이 주어진 조건에서 패턴이 인쇄된 웹이 늘어나게 하여 측정하였다.
웹 이송방식 인쇄 시스템에서 광학 측정 기법의 적용 가능성을 확인하기 위하여 웹 이송 장치를 설계한다. Fig.
2는 광학 측정 시스템과 이를 검증할 레이저 표면 진동계를 장착할 수 있도록 설계된 웹 이송 시스템을 보여준다. 웹을 일정한 속도로 진행시키기 위해 속도 조절이 가능한 모터가 장착된 리와인더(Rewinder)를 장착하였다. 웹 롤이 장착되는 부분에는 브레이크를 장착하여 일정한 제동력을 갖도록 하였다.
제안된 광학측정시스템은 Fig. 1 에서와 같이 웹의 양단에 직접 인쇄한 정렬패턴과 광학 측정을 통하여 실시간으로 웹의 진행방향 변위와 속도 그리고 사행각을 측정하는 시스템이다. 적외선 센서 또는 초음파 센서를 이용해 웹의 모서리를 검출하는 방식이 웹의 끝 단 가공정밀도에 의존하는 반면 제안한 방법은 정렬패턴을 직접 광학스캐닝하기 때문에 가공정밀도와는 독립적이다.

성능/효과

10 은 (a) 정상상태와 (b) 2% 변형 상태에 대한 Lissajous plot 을 비교한 것이다. 2% 변형된 실험 데이터도 Lissajous plot 에서 원형을 구성하고 있는 것을 확인하였다. 단지, 원형의 선 폭이 두껍게 보이는 것은 실험결과의 신호 크기가 시간이 지남에 따라 일정하지 않음을 의미하지만, 짧은 시간 동안에는 위상이 90 도이고 크기가 같아 Lissajous plot 에서도 원형을 유지하기 때문에 측정에는 무리가 없었다.
그러므로 본 연구에서 제안하고 있는 정렬패턴과 웹 위치 측정시스템은 실제 롤투롤 인쇄전자공정에 신뢰성을 가지고 적용할 수 있을 뿐 아니라 변형에 의한 영향에도 강인하게 측정됨을 확인하였다.
단지, 원형의 선 폭이 두껍게 보이는 것은 실험결과의 신호 크기가 시간이 지남에 따라 일정하지 않음을 의미하지만, 짧은 시간 동안에는 위상이 90 도이고 크기가 같아 Lissajous plot 에서도 원형을 유지하기 때문에 측정에는 무리가 없었다. 그리고 실제 장력과 건조환경 조건에서는 약 1% 이하의 변형이 일반적으로 일어나 므로 이 측정 방법이 실제환경에 적용할 수 있음을 확인하였다.
실험결과로부터 웹의 이송방향 길이의 2% 변형에서도 실험결과의 신호가 짧은 시간 동안에는 위상이 90 도이고 크기가 같아 Lissajous plot 에서 원형을 유지하기 때문에 측정에는 무리가 없었다. 그리고 실제 장력과 건조환경 조건에서는 일반적으로 약 1% 이하의 변형이 일어나므로 이 측정 방법이 실제환경에 적용할 수 있음을 확인하였다.
또한, 실험을 통해 웹의 변형에 대한 측정 강인성을 확인했다. 실험결과로부터 웹의 이송방향 길이의 2% 변형에서도 실험결과의 신호가 짧은 시간 동안에는 위상이 90 도이고 크기가 같아 Lissajous plot 에서 원형을 유지하기 때문에 측정에는 무리가 없었다. 그리고 실제 장력과 건조환경 조건에서는 일반적으로 약 1% 이하의 변형이 일어나므로 이 측정 방법이 실제환경에 적용할 수 있음을 확인하였다.
1 에서와 같이 웹의 양단에 직접 인쇄한 정렬패턴과 광학 측정을 통하여 실시간으로 웹의 진행방향 변위와 속도 그리고 사행각을 측정하는 시스템이다. 적외선 센서 또는 초음파 센서를 이용해 웹의 모서리를 검출하는 방식이 웹의 끝 단 가공정밀도에 의존하는 반면 제안한 방법은 정렬패턴을 직접 광학스캐닝하기 때문에 가공정밀도와는 독립적이다. CCD 비전 시스템을 이용하는 기존 측정 시스템은 영상처리 시간으로 인한 시간지연이 있었으나 제안한 광학 측정시스템은 별도의 처리시간 없이 바로 데이터를 받을 수 있다.
정렬패턴이 인쇄된 웹을 일정 속도로 진행시키며 광학 엔코더로 측정해 본 결과 두 개의 정현파 신호가 나타남을 확인하였고, 주파수 분석결과 Fig. 5 에서와 같이 두 신호의 주파수와 크기가 일치함을 알 수 있었다. 측정된 두 신호는 Fig.
5 에서와 같이 두 신호의 주파수와 크기가 일치함을 알 수 있었다. 측정된 두 신호는 Fig. 6 에서와 같이 리사주 도형이 원형으로 나타나 두 신호의 위상차가 90 도임을 알 수 있었다. 이때, 정현파 신호의 한 파장은 정렬패턴 간격인 200µm 을 의미한다.
측정한 결과로부터 약 0.03% (약 30µm) 평균 오차가 있는 상당히 정확한 측정임을 알 수 있었다.

후속연구

그리고 레이저 표면 진동계는 투영된 거리만을 측정하기 때문에 웹의 구김에 대해서는 측정 비교가 어려웠다. 능동형 장력 제어기를 적용하면 웹의 구김을 줄일수 있어 제안한 측정 시스템의 정확성 향상은 물론 레이저 표면 진동계의 측정결과와도 비교할 수 있을 것이다.
실험에 사용된 롤투롤 시스템은 브레이크만을 사용한 장력 조정장치를 가지고 있어 열에 의한 웹의 구김을 줄이는 데 제한적이었다. 그리고 레이저 표면 진동계는 투영된 거리만을 측정하기 때문에 웹의 구김에 대해서는 측정 비교가 어려웠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인쇄전자는 어떤 공정인가?	인쇄전자는 RFID 나 유연 디스플레이 등의 전자회로나 소자를 인쇄방식으로 제작하는 공정이다. 특히 롤투롤과 같은 웹 이송방식 프린팅은 얇은 필름형태의 웹(Web)에 그라비아 인쇄나 고속 잉크젯과 같은 방법으로 이송중인 웹 상에 회로를 형성하는 공법이다.
	인쇄전자에서 웹 이송방식 프린팅은 무엇인가?	인쇄전자(Printed Electronics)에서 웹 이송방식 프린팅은 플라스틱이나 금속으로 된 얇은 필름 형태의 웹(Web)에 그라비아(Gravure) 인쇄나 고속 잉크젯과 같은 방법으로 회로를 형성하는 공법이다.(1,2) 이는 반도체 공정에 의한 제품 중 집적도가 상대 적으로 낮은 제품들을 대상으로 하며, 기존의 노 광공정, 성막공정, 에칭공정 등 생산단가가 높은 공정을 대체 할 수 있다.
	웹 이송방식 프린팅은 어떤 공정을 대체할 수 있는가?	인쇄전자(Printed Electronics)에서 웹 이송방식 프린팅은 플라스틱이나 금속으로 된 얇은 필름 형태의 웹(Web)에 그라비아(Gravure) 인쇄나 고속 잉크젯과 같은 방법으로 회로를 형성하는 공법이다.(1,2) 이는 반도체 공정에 의한 제품 중 집적도가 상대 적으로 낮은 제품들을 대상으로 하며, 기존의 노 광공정, 성막공정, 에칭공정 등 생산단가가 높은 공정을 대체 할 수 있다. 인쇄전자는 전도성 잉크를 웹 위에 직접 인쇄하여 여러 층의 회로를 형성 하는 방법으로 전자소자를 비교적 경제적이고 고속으로 제조하는 것을 말한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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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