[논문]롤투롤 시스템에서 감김롤 내부 잔류응력 최소화를 위한 테이퍼 장력 설정 기법

이종수; 이창우

doi:10.7736/kspe.2015.32.12.1011

롤투롤 시스템에서 감김롤 내부 잔류응력 최소화를 위한 테이퍼 장력 설정 기법
Taper Tension Logic for Optimization of Residual Stresses in Roll-to-Roll Winding Systems 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.12, 2015년, pp.1011 - 1016

Abstract ▼ AI-Helper

In a roll-to-roll continuous system, winding is one of the most important processes since it determines the quality of the final manufactured products such as flexible film and printed electronic devices. Since an adequate winding tension can reduce the incidence of the defects that are derived from the inner stress of the wound roll such as starring and telescoping, it is necessary to determine the optimal taper-tension profile. In this study, an algorithm for the setting of an optimal taper-tension profile in consideration of the residual stress in the wound roll is suggested; furthermore, the algorithm was adjusted for the determination of an optimal taper-tension profile regarding the winding process of $10{\mu}m$ polypropylene (PP) film. As a result of the algorithm-generated, optimal taper-tension profile, the residual stress and radial stress in a PP wound roll were decreased to 27.37 % and 40.05 % (mean value), respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 감김롤 반경 응력 및 잔류 응력분포에 의한 감김 롤 결함 최소화를 위한 테이퍼 장력 설정 알고리즘을 제안하였다. 본 알고리즘은 감김 롤에서 발생하는 지배적인 결함 및 최대 감김 반경 비를 고려하여 테이퍼 텐션 프로파일을 결정하고, 소재 에이징 에 따른 결함 발생 여부를 고려하여 최적 테이퍼 값을 결정한다.
본 연구에서는 와인딩 롤 내부 잔류응력에 의한 결함을 고려한 테이퍼 장력 (taper tension profile) 설정 알고리즘을 제안하였다. 또한, 제안된 알고리즘을 10㎛ 두께의 폴리프로필렌 (polypropylene) 와인딩 공정에 적용하였고, 최적화 전 대비 잔류 응력 및 반경 응력 감소량을 평균 27.

제안 방법

본 공정에서 제품 수율에 직접적인 영향을 미치는 결함은 고장력에 의한 것이며, 최대 반경비가 10 이하임에 따라 와인딩 초기 구간에는 파라 볼릭 테이퍼 프로파일이 적용되었다 (STEP 2). 감김 길이 별 에이징 전, 후 반경 응력 측정 결과, 에이징 후 반경응력은 평균 10.
본 연구에서는 감김롤 반경 응력 및 잔류 응력분포에 의한 감김 롤 결함 최소화를 위한 테이퍼 장력 설정 알고리즘을 제안하였다. 본 알고리즘은 감김 롤에서 발생하는 지배적인 결함 및 최대 감김 반경 비를 고려하여 테이퍼 텐션 프로파일을 결정하고, 소재 에이징 에 따른 결함 발생 여부를 고려하여 최적 테이퍼 값을 결정한다. 또한, 제안된 알고리즘은 두께 10㎛ 폴리프로필렌 소재 와인딩 공정 장력 최적화에 적용되었으며, 감김 롤 내부 소재의 국부적 변형에 지배적인 영향을 미치는 반경 응력과 잔류 응력을 각각 평균 27.
6). 센서 길이 및 측정 범위 (11mm)의 한계에 따라 폭 방향 압력의 대표 값으로 권취 롤 가장자리의 반경응력을 측정하였다. ^2,10 Fig.
제안된 알고리즘을 적용하여 두께 10㎛ 폴리프로필렌 필름 와인딩 공정의 최적 테이퍼 프로파일을 도출하였다. Table 1은 소재 물성치 및 공정조건을 보여준다 (STEP 1).

대상 데이터

16으로 매우 작아 와인딩 도중 테이퍼 프로파일 변경 시 인가 가능한 테이퍼 값이 제한되므로 테이퍼 프로파일 변경 효과를 보기 어려우며, 따라서, 초기 구간에 적용된 테이퍼 프로파일을 유지하되 높은 테이퍼 값이 인가되어야 한다 (STEP 4). 알고리즘을 통해 도출된 요소들 및 공정 장력 인가 범위를 고려하여 테이퍼 값 70%인 파라볼릭 프로파일을 최적 profile로 선정하였다 (Fig. 5).

성능/효과

^2,5 와인딩 공정에 적용되는 대표적 테이퍼 장력은 크게 세가지로 선형 (linear), 하이퍼볼릭(hyperbolic), 파라볼릭(parabolic) 프로파일이 있다.^2,5,10 선형 프로파일은 소재 와인딩에 따른 장력을 일정한 기울기로 감소시키며, 하이퍼볼릭, 파라볼릭 프로파일은 포물선 형으로 감소시킨다. 파라볼릭 프로파일은 최대 감김 반경을 고려하지 않고 반경 증가에 따라 와인딩 장력을 감소시키는 하이퍼볼릭 프로파일의 한계점을 개선한 모델로 하이퍼볼릭에 비해 더 가파르게 감소하며 최대 감김 반경이 작은 경우에도 설정된 테이퍼 값만큼 장력을 감소시킨다는 이점이 있다.
본 공정에서 제품 수율에 직접적인 영향을 미치는 결함은 고장력에 의한 것이며, 최대 반경비가 10 이하임에 따라 와인딩 초기 구간에는 파라 볼릭 테이퍼 프로파일이 적용되었다 (STEP 2). 감김 길이 별 에이징 전, 후 반경 응력 측정 결과, 에이징 후 반경응력은 평균 10.8% 증가하는데 (Fig. 7(a)) 이는 잔류 응력이 추가적인 소재 변형을 발생시킬 가능성이 있음을 의미한다.
2는 테이퍼 프로파일 및 테이퍼 값에 따른 와인딩 구간 장력 거동을 나타낸다. 그림에서와 같이 테이퍼값을 24%로 설정 시 하이퍼볼릭 프로파일의 경우 만권 시 감김 장력이 초기 장력 대비 11% 감소한 반면, 파라볼릭 프로파일은 설정된 테이퍼 값에 따라 장력을 정확히 감소시킴을 확인 할 수 있다.
본 알고리즘은 감김 롤에서 발생하는 지배적인 결함 및 최대 감김 반경 비를 고려하여 테이퍼 텐션 프로파일을 결정하고, 소재 에이징 에 따른 결함 발생 여부를 고려하여 최적 테이퍼 값을 결정한다. 또한, 제안된 알고리즘은 두께 10㎛ 폴리프로필렌 소재 와인딩 공정 장력 최적화에 적용되었으며, 감김 롤 내부 소재의 국부적 변형에 지배적인 영향을 미치는 반경 응력과 잔류 응력을 각각 평균 27.37%, 40.05%, 최대 58.76%, 92.73% 개선함으로써 그 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 와인딩 롤 내부 잔류응력에 의한 결함을 고려한 테이퍼 장력 (taper tension profile) 설정 알고리즘을 제안하였다. 또한, 제안된 알고리즘을 10㎛ 두께의 폴리프로필렌 (polypropylene) 와인딩 공정에 적용하였고, 최적화 전 대비 잔류 응력 및 반경 응력 감소량을 평균 27.37%, 40.05%, 최대 58.76%, 92.73% 개선함으로써 제안된 기법의 우수성을 검증하였다.
05% 감소한다. 반경 응력 및 잔류 응력 차이가 가장 큰 두 구간은 820 m 와 220 m로 반경 응력의 경우 최적화 전 대비 58.76%, 52.11% 감소함을 확인할 수 있다 (c). 잔류 응력은 평균 27.
7은 최적 profile 적용 전, 후의 에이징 시간에 따른 반경 응력 분포 (a-b), 구간별 잔류 응력 (c) 및 반경 응력 차이 (d) 를 보여준다. 최적 profile 적용 시 최대 반경 응력은 7.03 MPa 에서 4.33 MPa로 크게 감소하며 (a-b) 감김 구간별 평균 40.05% 감소한다. 반경 응력 및 잔류 응력 차이가 가장 큰 두 구간은 820 m 와 220 m로 반경 응력의 경우 최적화 전 대비 58.

후속연구

테이퍼 값 증가에 따라 유효 잔류 응력 및 반경 응력은 크게 감소한다. 본 결과를 통해 소재 특성 및 수율에 지배적인 영향을 미치는 인자에 따라 적절한 테이퍼 프로파일 및 테이퍼 값이 선정되어야 함을 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	와인딩 (winding) 공정은 어떤 공정인가?	와인딩 (winding) 공정은 연속 인쇄 및 필름 생산 공정에 적용되는 롤투롤 (roll-to-roll) 시스템의 최종 단계로 생산된 제품을 롤 (roll) 형태로 보관하는 공정이다. 1-4 본 공정은 다량의 제품을 효율적으로 보관할 수 있다는 이점이 있으나 감김 롤 내부 응력 분포에 따라 제품 수율에 악영향을 미치는 스타링 (starring), 텔레스코핑 (telescoping) 과 같은 결함이 발생할 수 있다.
	와인딩 (winding) 공정의 감김 롤 내부 응력 분포에 따라 어떤 결함이 발생하는가?	와인딩 (winding) 공정은 연속 인쇄 및 필름 생산 공정에 적용되는 롤투롤 (roll-to-roll) 시스템의 최종 단계로 생산된 제품을 롤 (roll) 형태로 보관하는 공정이다. 1-4 본 공정은 다량의 제품을 효율적으로 보관할 수 있다는 이점이 있으나 감김 롤 내부 응력 분포에 따라 제품 수율에 악영향을 미치는 스타링 (starring), 텔레스코핑 (telescoping) 과 같은 결함이 발생할 수 있다. 5 이러한 결함 들은 와인딩에 따른 장력 거동을 개선시킴으로써 제거할 수 있으며 이에 따라 감김 장력 거동에 따른 롤 내부 응력 분포 모델 개발6-8 및 실험 기반 감김 장력 최적화에 대한 다양한 연구가 보고되어왔다.
	파라볼릭 프로파일의 장점은 무엇인가?	파라볼릭 프로파일은 최대 감김 반경을 고려하지 않고 반경 증가에 따라 와인딩 장력을 감소시키는 하이퍼볼릭 프로파일의 한계점을 개선한 모델로 하이퍼볼릭에 비해 더 가파르게 감소하며 최대 감김 반경이 작은 경우에도 설정된 테이퍼 값만큼 장력을 감소시킨다는 이점이 있다. 10 식 (1)-(3)은각 프로파일에 대한 수학적 모델이며, Fig.

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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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