[논문]정렬패턴과 광량을 이용한 롤투롤 인쇄전자공정의 횡 방향 웹 위치 측정 시스템

정민규; 김현기; 오동호

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.9.879

정렬패턴과 광량을 이용한 롤투롤 인쇄전자공정의 횡 방향 웹 위치 측정 시스템
Lateral Position Measurement System for Precision Alignment of Roll-to-Roll Printing Using Alignment Patterns and Quantity of Light 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.9, 2015년, pp.879 - 884

정민규 (충남대학교 공과대학 기계공학과) , 김현기 (충남대학교 공과대학 기계공학과) , 오동호 (충남대학교 공과대학 기계공학과)

초록
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인쇄전자는 필름과 같이 유연한 웹 위에 기능성 잉크를 인쇄하여 전자소자 및 회로를 만들어내는 기술로써, 대면적 및 고속 대량 생산에 적합하며 유연소재의 전자소자를 만들어 낼 수 있는 차세대 공정기술이다. 이러한 롤투롤 인쇄전자 공정의 상용화를 위해서는 웹의 정밀 위치 측정이 요구되므로 본 연구의 선행연구를 통해 수 마이크로미터 측정 정밀도를 가진 광학 측정 시스템을 제안하였다. 하지만 선행연구의 횡 방향 측정은 웹 전체가 횡 방향으로 밀림 현상이 발생한 경우 이를 인지 할 수 없는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 선행연구의 이송방향 웹 위치 측정 정밀도는 유지하며 웹의 횡 방향 위치에 따라 정렬패턴에서 반사되는 광량 차이를 이용한 웹의 횡 방향 위치 측정 시스템을 제안하였고 신뢰성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Printed electronics is a technology that produces electronic devices and circuits by printing functional ink on a web, which is a film-like flexible material. This technology is suitable for large-scale and high-speed mass production, and is a next-generation process technology that can fabricate electronic devices from flexible materials. As precise measurement of the positions of the web is required in order to commercialize such a printed electronics process, a measurement system with an optical encoder with a precision of micrometers had been proposed in the preceding research of this study. However, the lateral positions of the web could not be measured in the preceding research as the phenomenon of the entire web being moved in the lateral direction could not be detected. In this study, a measurement system that utilizes the differences in the amount of light reflected from the alignment patterns depending on the web positions in the lateral direction was proposed for measuring the lateral positions of the web. In addition, its reliability was verified and then the effect when measuring printed alignment patterns was analyzed by experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안한 측정시스템을 인쇄전자에 활용하기 위해서는 웹의 횡 방향 위치 변화에 따른 신호가 선형성을 가지며 수 마이크로미터의 반복능을 가지고 있어야 한다. 따라서 측정 신호의 선형성 및 반복능을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 웹이 이송방향으로 2m/min 의 일정한 속도로 움직이는 상태에서 광학엔코더를 마이크로 스테이지를 이용하여 웹의 횡 방향으로 움직이면서 웹의 위치값을 측정하였다.
본 연구에서는 광학엔코더를 활용하여 웹의 횡방향 위치에 따라 정렬패턴에서 반사되는 광량의 변화를 측정하여 웹의 횡 방향 위치를 측정하는 방법을 제안하였다. 측정 시스템의 신뢰도를 확인하기 위하여 포토리소그래피 공정을 통해 제작된 100µm 선폭의 정렬패턴을 사용하여 횡 방향 위치를 측정한 결과 2000µm 선형구간에서 비선형성 0.

제안 방법

동일한 방법으로 선형구간에서 일정한 반복능을 확인하기 위하여 선형구간 양끝에서도 반복능 측정 실험을 수행하였다. Fig.
웹의 횡 방향 위치 측정 시스템에서는 광학엔코더를 통해 측정되는 정현파 신호의 최대값을 기준으로 웹의 횡 방향 위치를 계산한다. 따라서 신호의 최대 값을 측정하기 위하여 측정값을 신호처리하여 극대값을 검출한다.
이러한 기존 측정 한계를 극복하기 위해서는 웹의 횡 방향 위치를 직접 측정하는 방법이 필요하다. 본 연구에서는 선행연구의 광학엔코더 측정 시스템을 활용하여 측정 되는 신호의 값으로부터 웹의 횡 방향 위치를 직접 측정하는 시스템을 제안하였으며 이를 통해 기존의 웹 이송방향 위치 측정에 대한 장점을 유지하면서 사행방향 측정의 한계를 해결하여 정밀한 웹의 위치 측정 시스템을 구현하였다.
따라서, Y_a값이 양에서 음으로 바뀔 때 보정된 측정값 x_a는 극대값이 되며 이 값으로 웹의 횡방향 위치를 산출한다. 실제 신호처리를 통한 측정에서 정밀한 극대값 검출을 위해 평균구간 n값은 되도록 작아야 하지만 잡음의 영향, 샘플링 시간을 고려하여 적합한 평균 구간 n을 정하여 극대값을 검출한다.
또한 단순히 정렬 패턴의 세어 읽기(count)가 아닌 보간(interpolation) 신호처리과정을 통해 정렬패턴의 크기보다 높은 해상도로 웹을 측정할 수 있다. 웹의 사행방향 위치 오차가 발생할 때 웹 양단의 이송 방향 위치 차이를 통해 사행 각을 산출하고 그 값으로 웹의 횡 방향 오차를 측정하였다. 하지만 이러한 방식은 양단의 이송방향 위치 차이를 이용하여 사행 각을 산출하기 때문에 사행 각 없이 웹전체가 횡 방향으로 밀림현상이 발생하면 이를 인지할 수 없어 횡 방향 중첩정밀도에 영향을 미치며 두 개의 광학엔코더를 사용해야 하는 한계를 가지고 있다.
따라서 측정 신호의 선형성 및 반복능을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 웹이 이송방향으로 2m/min 의 일정한 속도로 움직이는 상태에서 광학엔코더를 마이크로 스테이지를 이용하여 웹의 횡 방향으로 움직이면서 웹의 위치값을 측정하였다. 광학엔코더로 측정 된 값을 데이터 수집장비로 수집하고 LabVIEW 프로그램으로 극대값 검출을 위한 신호처리 후 웹의 횡 방향 위치를 구하였다.
정렬패턴의 인쇄 품질에 의한 변수를 제거하고자 포토리소그래피 공정(photolithographic process)을 통해 제작된 정밀한 정렬패턴을 이용하여 실험을 하였다. Table 1 의 결과는 웹이 이송방향으로 2m/min 의 일정한 속도로 움직이는 상태에서 광학엔코더를 마이크로 스테이지로 100µm 씩 이동하면서 측정한 결과이다.
제안한 시스템은 일정한 횡 방향 위치를 유지하는 것이 목적이므로 제어하고자 하는 위치에서의 반복능을 확인하였다. 중심극한정리(Central Limit Theorem)에 의해 표본의 크기가 충분히 크면 측정값이 정규분포에 근사하므로 한 위치마다 48 회 측정하였다.
제안한 웹의 횡 방향 위치 측정 시스템에서는 웹에 인쇄된 패턴을 활용하여 웹의 위치를 측정하게 된다. 실제 시스템과 동일한 환경에서 실험하기 위해서는 롤투롤 공정에서 웹의 인쇄된 패턴으로 웹의 횡 방향 위치 측정이 이루어져야 한다.
제안한 측정시스템을 인쇄전자에 활용하기 위해서는 웹의 횡 방향 위치 변화에 따른 신호가 선형성을 가지며 수 마이크로미터의 반복능을 가지고 있어야 한다. 따라서 측정 신호의 선형성 및 반복능을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다.
제안한 시스템은 일정한 횡 방향 위치를 유지하는 것이 목적이므로 제어하고자 하는 위치에서의 반복능을 확인하였다. 중심극한정리(Central Limit Theorem)에 의해 표본의 크기가 충분히 크면 측정값이 정규분포에 근사하므로 한 위치마다 48 회 측정하였다. Table 2 는 제어하고자 하는 위치인 Fig.

대상 데이터

실제 시스템과 동일한 환경에서 실험하기 위해서는 롤투롤 공정에서 웹의 인쇄된 패턴으로 웹의 횡 방향 위치 측정이 이루어져야 한다. 실험에 사용된 정렬패턴은 투명 필름 웹에 Ag 계열 잉크로 인쇄한 패턴이며 포토리소그래피 공정을 통해 제작된 정렬 패턴을 사용한 실험과 동일한 실험을 수행하였다.

데이터처리

웹이 이송방향으로 2m/min 의 일정한 속도로 움직이는 상태에서 광학엔코더를 마이크로 스테이지를 이용하여 웹의 횡 방향으로 움직이면서 웹의 위치값을 측정하였다. 광학엔코더로 측정 된 값을 데이터 수집장비로 수집하고 LabVIEW 프로그램으로 극대값 검출을 위한 신호처리 후 웹의 횡 방향 위치를 구하였다.

성능/효과

7 에서와 같이 센서가 0 도와 180 도 위상으로 배치되어 있으며 두 위상에 위치한 센서로 측정되는 신호의 차로 정현파를 만들게 된다. 따라서 0 도 위상의 센서와 반사패턴이 완벽히 일치하여 빛이 전부 반사되어 0 도 위상의 센서에 최대신호가 측정되고 이와 동시에 180 도 위상의 센서와 무 반사패턴이 일치하여 빛이 반사되지 않아 180 도 위상의 센서에는 신호가 측정되지 않는 패턴을 가지는 경우에 신호는 최대진폭을 가지는 정현파로 측정된다.
따라서 본 논문에 사용된 실험실 수준의 장비보다 정밀한 인쇄 장비를 사용한다면 웹에 인쇄되는 정렬패턴의 품질을 개선할 수 있어 10마이크로미터 이하 수준의 측정정밀도를 확보할 수 있고, 제안한 측정방법을 적용하여 인쇄전자공정의 횡 방향 중첩정밀도를 향상할 수 있다.
하지만 패턴 평균 폭이 비교적 일정하고 패턴이 동일한 간격으로 위치하고 있어 선형 측정영역에서는 일정한 크기의 선형적인 신호변화를 측정할 수 있다. 따라서 패턴의 인쇄 품질이 떨어져 패턴 선폭의 오차가 존재하는 경우에도 제안한 웹의 횡 방향 위치 측정 시스템은 강인한 측정특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
76µm 의 반복능을 확인하였다. 따라서, 웹에 인쇄된 정렬패턴을 이용하는 경우에도 선형구간 내에서는 비슷한 수준의 반복능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
이전의 선형성 확인 실험으로 100µm 위치 변위가 22.45mV 이므로 동일한 위치를 측정할 때 95% 신뢰수준으로 ±2.5µm 의 반복능을 확인할 수 있었다.
측정 시스템의 신뢰도를 확인하기 위하여 포토리소그래피 공정을 통해 제작된 100µm 선폭의 정렬패턴을 사용하여 횡 방향 위치를 측정한 결과 2000µm 선형구간에서 비선형성 0.54% FS 를 확인하였고 95% 신뢰수준으로 ±2.5µm 의 반복능을 확인하였다.
한편, 웹에 인쇄된 패턴을 이용한 측정실험에서는 1700µm 의 선형구간에서 비선형성 1.19% FS 을 확인하였고 95% 신뢰수준으로 ±16.91µm 의 반복능을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	롤투롤 공정의 특징은 무엇인가?	인쇄전자는 인쇄기술을 통해 전자소자, 회로 및 부품을 만들어내는 기술이다.(1,2) 특히 롤투롤(Rollto-roll) 공정은 필름과 같은 유연한 재료를 활용하여 회전롤에 감아 기능성, 도전성 잉크를 사용하여 인쇄하므로 대면적 및 고속 대량 생산에 적합하며 기존 노광 공정에서 쓰고 버리는 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있다. 이러한 인쇄전자 기술을 상용화하기 위해서는 기존 노광 공정에 해당하는 정밀도 및 신뢰성이 요구된다.
	인쇄전자는 어떠한 기술인가?	인쇄전자는 인쇄기술을 통해 전자소자, 회로 및 부품을 만들어내는 기술이다.(1,2) 특히 롤투롤(Rollto-roll) 공정은 필름과 같은 유연한 재료를 활용하여 회전롤에 감아 기능성, 도전성 잉크를 사용하여 인쇄하므로 대면적 및 고속 대량 생산에 적합하며 기존 노광 공정에서 쓰고 버리는 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있다.
	기존의 정밀 웹 측정 시스템 방식인 CCD 비전시스템을 이용한 방식과, 센서를 이용한 방식의 단점은 무엇인가?	기존의 측정 시스템으로는 CCD 비전시스템을 이용하여 웹의 중첩정밀도와 인쇄품질을 측정하는 방식과, 적외선 센서 또는 초음파 센서를 이용하여 인쇄될 웹의 모서리를 검출하는 방식이 있다. 이와 같은 방법으로 측정된 데이터는 웹 제어에 이용되는데 비전시스템의 경우 영상처리속도에 의한 신호처리 시간지연이 고속의 대량생산에 제한요소가 될 수 있고, 초음파 및 적외선센서를 이용한 웹의 모서리 검출방법은 웹의 가공정밀도에 의존하게 된다. 따라서 시간지연이 가능한 적으며, 웹의 가공정밀도에 의존하지 않는 측정방법이 필요하다.

참고문헌 (6)

Shin K. H., 2006, "Roll to Roll Technology for Display Manufacturing," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 45, No.12, pp. 62-66.
Kim, D. S. and Lee, T. M., 2006, "Technical Trend of Printed Electro-Mechanical System," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 46, No. 12, pp. 38-41.
Kim, C. H., Lee, Y. S., Kim, Y. K., Kim, D. S. and Choi, B. O., 2007, "Characteristics of Resonant Frequency of Printed RFID Tag Antenna," KSME International Conference, pp. 228-230.
Oh. D., 2013, "Method and Apparatus for Providing Precise Printing Using Linear Encoder," Korea Patent, No. 10-1294358.
Seo, Y., Kim, Y. M. and Oh, D., 2012, "Alignment Patterns and Position Measurement System for Precision Alignment of Roll-to-Roll Printing" Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No.12, pp. 1563-1568.

원문보기 상세보기
Seo, Y., Kim, Y. M. and Oh, D., 2013, "A Position Measurement System for Precision Alignment of Roll-to-Roll Printing and Sensitivity Analysis of Thermal Deformation," Microsystem Technologies-Micro and Nanosystems-Information Storage and Processing Systems, Vol.19(9), pp. 1548-1549.

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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