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문제 정의
- 본 논문은 인쇄전자용 저비용 대량생산에 적합한 연속적인 인쇄가 가능한 새로운 개념의 롤투롤 스크린 인쇄 장비의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 롤투롤 웹 이송과 인쇄 제판의 슬라이딩 모션의 동기화를 통해 인쇄가 되는 공정 메커니즘을 제안하였으며, 기존의 평판 스크린 인쇄 메커니즘으로 구성되어 있으나, 롤투롤 시스템과의 접목 및 정밀 얼라인 기술까지 포함된 고성능, 고정밀도의 롤투롤 스크린 인쇄 공정 장비를 개발하였다.
- 이에, 본 연구에서는 고정밀도 미세패턴 대응이 가능한 평판 제판을 활용하며, 유연기판의 롤투롤 정밀 이송 중에 연속 인쇄가 가능하도록 동기화된 슬라이딩 구조의 인쇄 모듈과 롤투롤 정밀 장력제어, 속도제어, 얼라인 성능을 갖춘 고정밀 롤투롤 연속 스크린 인쇄 시스템을 개발하고 그 성능을 검증하였다.
제안 방법
- 또한, 롤투롤 로터리 스크린 인쇄와 비교하여, 평판 스크린 인쇄 공정을 적용함으로써, 60 μm 이하 수준의 미세패턴 인쇄가 가능함을 확인하였으며, 중첩 인쇄 정밀도 확보를 위해 얼라인 시스템을 구성하여 60 μm 이하의 얼라인 인쇄 정밀도를 구현하였다.
- 리와인더는 레이저 마커를 제외하고 언와인더와 동일한 형태로 구성하였으며, 인쇄 모듈 전단에 중첩 인쇄를 위한 비전 카메라(vision camera)를 설치하고, 인쇄 제판은 XYθ 스테이지를 적용하여, 정밀 얼라인 기능을 수행하며, 추가로 인쇄 후 중첩 인쇄의 정밀도를 확인/피드백하기 위한 비전 검사시스템을 포함하였다. 또한, 제판과 웹 이송의 정확한 동기제어를 위한 엔코더 롤 및 인쇄 시 균일한 장력 유지를 위한 장력 제어용 텐션 로드셀(load cell)이 적용되었다.
- 레이저 마킹을 통해 제작된 마크는 비전 카메라를 통해 인식하여, 인쇄 위치 및 틸트 등 타겟 위치를 산출하여, 이 정보를 이용해 얼라인 스테이지를 구동함으로써, 정확한 위치에 인쇄할 수 있도록 하였다.
- 롤투롤 연속 스크린 인쇄 공정 평가를 위해 패턴 인쇄 영역 간의 간격이 존재하지 않는 제로 갭(zero gap) 인쇄를 진행하였다. RFID tag 제판을 이용하였으며, 인쇄 공정조건은 3.
- 본 논문은 인쇄전자용 저비용 대량생산에 적합한 연속적인 인쇄가 가능한 새로운 개념의 롤투롤 스크린 인쇄 장비의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 롤투롤 웹 이송과 인쇄 제판의 슬라이딩 모션의 동기화를 통해 인쇄가 되는 공정 메커니즘을 제안하였으며, 기존의 평판 스크린 인쇄 메커니즘으로 구성되어 있으나, 롤투롤 시스템과의 접목 및 정밀 얼라인 기술까지 포함된 고성능, 고정밀도의 롤투롤 스크린 인쇄 공정 장비를 개발하였다. 롤투롤 웹 이송 속도 정밀 제어를 구현하여, 실험을 통해 이송속도 5.
- 리와인더는 레이저 마커를 제외하고 언와인더와 동일한 형태로 구성하였으며, 인쇄 모듈 전단에 중첩 인쇄를 위한 비전 카메라(vision camera)를 설치하고, 인쇄 제판은 XYθ 스테이지를 적용하여, 정밀 얼라인 기능을 수행하며, 추가로 인쇄 후 중첩 인쇄의 정밀도를 확인/피드백하기 위한 비전 검사시스템을 포함하였다.
- 롤투롤 인쇄 공정을 이용하여 레퍼런스 마크를 제작하는 방법으로는 공정 변수들에 의한 절대 위치정밀도 확보의 정밀도 문제가 발생할 수 있다. 본 장비에서는 유연기판의 정확한 이송위치를 롤에 장착된 엔코더를 이용하여 취득하고, 정확한 위치에서의 레이저 마킹 트리거 신호를 발생하여 패터닝 하는 것으로 유연기판상의 절대 위치정밀도가 확보된 레퍼런스 마크를 형성하였다. 형성된 마크의 형상은 Fig.
- 사행 제어 모듈은 상용 모듈인 BST web guide 시스템을 이용하여 구성하였으며 이 시스템은 초음파 센서 두 개가 장착되어 있어 웹의 양쪽 끝이 초음파 센서의 중앙부를 지나갈 수 있도록 하며 웹이 한 쪽 방향으로 틀어져 초음파 센서를 벗어날 경우 웹 이송 제어 유닛이 회전하여 웹의 이동 경로를 조정하며 초음파 센서의 중앙을 통과할 수 있도록 유도한다.
- 이에 대한 인쇄 모듈의 동기화 속도에 따라 인쇄 결과(인쇄 품질 및 인쇄 위치정확도)에 큰 영향을 미치게 된다. 속도제어는 기본적으로 회전하는 아이들 롤러에 외부 엔코더를 장착하여 엔코더에서 나오는 신호를 감지하여 모터의 속도를 검출하고, 인피더 롤의 속도를 제어하는 것으로 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. Fig.
- 스크린 제판의 메쉬는 미세패턴이 가능하도록, 기존의 로터리 스크린 제판의 메쉬 수 보다 조밀한 640 mesh/inch로 국내 제판 제작 업체인 삼본스크린 사를 통해 제작을 진행하였으며, 패턴의 형태는 패턴 영역 250 mm×250 mm로 다양한 각도의 패턴 인쇄 특성을 확인하기 위해 MD(machine direction), CD(cross machine direction), 대각선 방향으로 디자인 하였다.
- 제판 및 스테이지의 하중 등을 고려하여 모터 부하를 계산하여 모터를 선정하였으며, 총 4개의 100 W급 정밀 서보모터로 구동된다. 언와인딩, 리와인딩을 포함한 전체 시스템은 단일 PC에서 통합된 제어 환경에서 구동되도록 구성하였으며, EtherCAT 기반의 고속 I/O 모듈을 활용하여 엔코더 및 로드셀 신호 등의 제어입력 데이터를 실시간으로 취득하여 시스템 제어에 활용하였다.
- 얼라인 상태를 확인하는 비전 카메라를 이용한 검사 장치를 통해 정밀도를 측정하였으며, 측정 알고리즘은 비전 카메라를 이용해 얼라인 마크의 이미지를 촬영 후, Cognex 라이브러리를 이용하여 패턴 인식 및 위치를 계산하였다. Fig.
- 장력은 기본적으로 언와인더/리와인더에 의해 웹이 이송될 때 인피더(in-feeder)에 의해 조절되며 웹의 사행으로 인해 발생되는 장력 변화를 제어하기 위해 웹 가이드를 설치하였다. 웹의 사행이 발생할 경우 웹의 한쪽 방향으로만 큰 장력이 작용할 수 있고 이로 인해 웹의 변형이 발생하며 웹의 변형으로 인해 중첩 인쇄 시 중첩 인쇄시 중첩 정밀도에 영향을 미칠 수 있으므로 장력 제어에 웹 가이드를 활용하여 웹의 인쇄 유닛 진입 시 균일한 장력을 유지할 수 있도록 장비를 설계하였다. 인쇄 유닛 진입 전/후에 장력 측정을 위한 로드셀이 설치되고, 취득한 장력을 피드백(feedback)하여 인피더에서 속도를 조절하는 것으로 인쇄 구간에서 장력을 제어한다.
- 유연기판 미세 패터닝을 위한 롤투롤 고속/고정밀 웹(web) 이송을 위한 언와인더(un-winder)/리와인더(re-winder) 모듈 및 장력제어를 위한 피더(feeder), 사행제어를 위한 웹 가이드(web guide), 레퍼런스 마크(reference mark) 형성을 위한 레이저 마킹(laser marking) 모듈, 정밀 중첩 인쇄를 위한 제판 이송식 인쇄 모듈, 제판 정밀 얼라인(alignment) 시스템, multi-layer 인쇄 시 중첩 정밀도 확인 및 피드백을 위한 비전 카메라를 이용한 검사 장치 모듈 등으로 구성된 롤투롤 스크린 인쇄 시스템을 개발하였고, 시스템 layout을 Fig. 1에 나타내었다.
- 1절과 같다. 인쇄 모듈과 웹 이송 모듈의 동기제어를 통해 제로 갭 인쇄 실험을 진행하기 위해 웹 이송속도와 인쇄 속도는 약 5 m/min 이상의 속도로 진행하였다. 패턴 영역 간의 간격 조절은 인쇄 공정에서 인쇄 후 스크래퍼를 이용한 페이스트를 재 도포하는 과정에서 결정되며, 스크래퍼의 속도에 따라 간격이 결정된다.
- 얼라인 시스템 구현 방법은 비전 시스템과 인쇄부 얼라인 스테이지를 이용한다. 인쇄 후, 레이저 마커를 통해 형성한 타겟 레퍼런스 마크와 인쇄된 얼라인 마크 간의 거리를 비전 프로세싱을 통해 측정하고, 측정된 옵셋 양만큼 제판 위치를 보정한다. 또한, 인쇄 전에 다음 패턴 인쇄를 위한 레퍼런스 마크를 다시 인식하여 이전 마크와의 차이 값을 보상하여 추가로 제판 위치에 대한 보정 모션을 지령함으로써 연속적인 얼라인 인쇄가 가능함을 보였다.
- 적용 가능한 평판 스크린 제판의 크기는 600 mm×600 mm이며, 인쇄 가능 영역은 최대 300 mm×300 mm로 설정하였다. 정밀 얼라인을 위해 3축으로 구동 가능한 구조로 설계하였고 (Fig. 3 참조), 스크린 인쇄의 주요 공정 변수인 제판과 기재 사이의 이격거리는 매뉴얼 조정이 가능하도록 제작하였다.
- 제작된 장비의 성능을 확인하기 위하여 다양한 선폭의 패턴이 포함된 스크린 제판을 제작하고 스크린 인쇄용 구리 페이스트(Asahi Kasei사 상용제품)를 이용하여 인쇄 실험을 수행하였다. 스크린 제판의 메쉬는 미세패턴이 가능하도록, 기존의 로터리 스크린 제판의 메쉬 수 보다 조밀한 640 mesh/inch로 국내 제판 제작 업체인 삼본스크린 사를 통해 제작을 진행하였으며, 패턴의 형태는 패턴 영역 250 mm×250 mm로 다양한 각도의 패턴 인쇄 특성을 확인하기 위해 MD(machine direction), CD(cross machine direction), 대각선 방향으로 디자인 하였다.
대상 데이터
- Fig. 1에서와 같이 언와인더 모듈에는 정밀 얼라인 수행을 위한 레이저 마커(laser marker)가 포함 되어있으며, 레이저 마커는 K2 Laser사의 비금속 CO₂레이저(laser)를 사용하였다. 또한 웹 사행 제어를 위한 웹 가이드 및 장력제어를 위한 피더가 언와인더 모듈에 포함되어 있고 웹 가이드는 독일 업체인 BST사의 시스템을 사용하였다.
- 또한 롤투롤 정밀 구동을 위하여, 구성되는 롤러들은 양단지지 형태로 구성하였으며, Fig. 3에서와 같이 인쇄 제판은 평판 스크린 인쇄에 적용하는 스크린 제판을 사용하며 제판을 고정하기 위한 에어실린더 및 XYθ 얼라인 구동을 위한 정밀 스테이지로 구성되어 있다.
- 1에서와 같이 언와인더 모듈에는 정밀 얼라인 수행을 위한 레이저 마커(laser marker)가 포함 되어있으며, 레이저 마커는 K2 Laser사의 비금속 CO₂레이저(laser)를 사용하였다. 또한 웹 사행 제어를 위한 웹 가이드 및 장력제어를 위한 피더가 언와인더 모듈에 포함되어 있고 웹 가이드는 독일 업체인 BST사의 시스템을 사용하였다. 리와인더는 레이저 마커를 제외하고 언와인더와 동일한 형태로 구성하였으며, 인쇄 모듈 전단에 중첩 인쇄를 위한 비전 카메라(vision camera)를 설치하고, 인쇄 제판은 XYθ 스테이지를 적용하여, 정밀 얼라인 기능을 수행하며, 추가로 인쇄 후 중첩 인쇄의 정밀도를 확인/피드백하기 위한 비전 검사시스템을 포함하였다.
- 스크린 제판의 메쉬는 미세패턴이 가능하도록, 기존의 로터리 스크린 제판의 메쉬 수 보다 조밀한 640 mesh/inch로 국내 제판 제작 업체인 삼본스크린 사를 통해 제작을 진행하였으며, 패턴의 형태는 패턴 영역 250 mm×250 mm로 다양한 각도의 패턴 인쇄 특성을 확인하기 위해 MD(machine direction), CD(cross machine direction), 대각선 방향으로 디자인 하였다. 스크린 인쇄 스퀴지는 MicroTec사의 해머형 스퀴지를 적용하였으며, 상세한 인쇄 공정 조건을 Table 1에 정리하였다.
- 적용 가능한 평판 스크린 제판의 크기는 600 mm×600 mm이며, 인쇄 가능 영역은 최대 300 mm×300 mm로 설정하였다.
- 카메라는 CREVIS사의 MV-BX30A 모델을 적용하였으며, 얼라인 스테이지 구동을 위한 고정밀 모션제어기는 ACS 사의 MC4U 모델을 적용하여 구성하였다. 제판 및 스테이지의 하중 등을 고려하여 모터 부하를 계산하여 모터를 선정하였으며, 총 4개의 100 W급 정밀 서보모터로 구동된다. 언와인딩, 리와인딩을 포함한 전체 시스템은 단일 PC에서 통합된 제어 환경에서 구동되도록 구성하였으며, EtherCAT 기반의 고속 I/O 모듈을 활용하여 엔코더 및 로드셀 신호 등의 제어입력 데이터를 실시간으로 취득하여 시스템 제어에 활용하였다.
- 6과 같이 설계하였고, 비전 시스템은 PC기반의 COGNEX 사의 라이브러리(library)를 사용하였다. 카메라는 CREVIS사의 MV-BX30A 모델을 적용하였으며, 얼라인 스테이지 구동을 위한 고정밀 모션제어기는 ACS 사의 MC4U 모델을 적용하여 구성하였다. 제판 및 스테이지의 하중 등을 고려하여 모터 부하를 계산하여 모터를 선정하였으며, 총 4개의 100 W급 정밀 서보모터로 구동된다.
이론/모형
- 얼라인 시스템 구현 방법은 비전 시스템과 인쇄부 얼라인 스테이지를 이용한다. 인쇄 후, 레이저 마커를 통해 형성한 타겟 레퍼런스 마크와 인쇄된 얼라인 마크 간의 거리를 비전 프로세싱을 통해 측정하고, 측정된 옵셋 양만큼 제판 위치를 보정한다.
성능/효과
- Fig. 9에 나타낸 바와 같이, 제어 방법은 ACS사에서 제공하는 모션제어 라이브러리의 PID 제어를 적용하였으며, 게인 튜닝을 거쳐 이송 속도 5.4 m/min에 대한 테스트 결과, 전 구간에서 속도 변화량은 ±1.3% 이내로 보이는 것을 확인하였다.
- 인쇄 후, 레이저 마커를 통해 형성한 타겟 레퍼런스 마크와 인쇄된 얼라인 마크 간의 거리를 비전 프로세싱을 통해 측정하고, 측정된 옵셋 양만큼 제판 위치를 보정한다. 또한, 인쇄 전에 다음 패턴 인쇄를 위한 레퍼런스 마크를 다시 인식하여 이전 마크와의 차이 값을 보상하여 추가로 제판 위치에 대한 보정 모션을 지령함으로써 연속적인 얼라인 인쇄가 가능함을 보였다.
- 롤투롤 웹 이송 속도 정밀 제어를 구현하여, 실험을 통해 이송속도 5.4 m/min에 대해, 전 구간에서 ±1.3% 이내의 속도 변화량을 확인하였다.
- 7 μm로 측정되어, 60 μm 이하의 미세패턴 인쇄가 가능함을 확인하였다. 일반적인 스크린 인쇄에서와 마찬가지로 타겟 기판의 wetting 특성에 따라, 인쇄 잉크의 퍼짐으로 인하여, 실제 인쇄된 패턴의 선폭은 일부 증가하는 것이 관찰되었다.
- 측정은 제판 기준 선폭 40 μm 패턴 인쇄 결과를 측정하였으며, Table 2에서와 같이 인쇄 실험 후 무작위 7개 지점 미세패턴 측정 결과 최소선폭은 평균 약 51.7 μm로 측정되어, 60 μm 이하의 미세패턴 인쇄가 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 또한, 롤투롤 로터리 스크린 인쇄와 비교하여, 평판 스크린 인쇄 공정을 적용함으로써, 60 μm 이하 수준의 미세패턴 인쇄가 가능함을 확인하였으며, 중첩 인쇄 정밀도 확보를 위해 얼라인 시스템을 구성하여 60 μm 이하의 얼라인 인쇄 정밀도를 구현하였다. 미세 패턴 인쇄가 가능한 평판 스크린 인쇄 공정의 장점과 연속적인 고속 인쇄 구현이 가능한 롤투롤 로터리 스크린 인쇄 공정의 장점을 결합한 본 시스템을 이용하여 미세패턴/정밀중첩 연속 인쇄가 가능함을 확인하였고, 향후 FPCB는 물론, RFID, NFC 등 다양한 인쇄 전자 응용 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
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