There has been a great interest in printing technology as a low cost and mass production method for the application of printed electronics such as printed TFT, solar cell, RFID Tag, printed battery, and so on. In this study, apparatuses of gravure-offset printing are developed for fine line-width/ga...
There has been a great interest in printing technology as a low cost and mass production method for the application of printed electronics such as printed TFT, solar cell, RFID Tag, printed battery, and so on. In this study, apparatuses of gravure-offset printing are developed for fine line-width/gap printing and examining pattern distortion occurred in gravure-offset printing process. The fine line-width/gap pattern shows that it is possible to make around 20 micro-meter line-width/gap printing patterns. Pattern distortion is modeled, and the amount and shape of the distortion are calculated by using commercial FEM code. The roll-to-roll printing system under development consists of unwinder/rewinder, two printing units, one coating unit, drying units, guiding unit, vision system, and other auxiliary devices. For multi-layer printing, the system is designed to be capable of printing two different materials.
There has been a great interest in printing technology as a low cost and mass production method for the application of printed electronics such as printed TFT, solar cell, RFID Tag, printed battery, and so on. In this study, apparatuses of gravure-offset printing are developed for fine line-width/gap printing and examining pattern distortion occurred in gravure-offset printing process. The fine line-width/gap pattern shows that it is possible to make around 20 micro-meter line-width/gap printing patterns. Pattern distortion is modeled, and the amount and shape of the distortion are calculated by using commercial FEM code. The roll-to-roll printing system under development consists of unwinder/rewinder, two printing units, one coating unit, drying units, guiding unit, vision system, and other auxiliary devices. For multi-layer printing, the system is designed to be capable of printing two different materials.
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문제 정의
21 세기에 들어서 선진 각국은 차세대 성장기술 개발에 국가적 역량을 기울이고 있다. 그 중 하나가 폴리머 칩에 의한 저가의 RFID 태그, 스마트 센서, 플라스틱 태양전지 등의 유비쿼터스 환경 구축에 충당될 새로운 제품의 생산 프로세스를 개발하는 기술이다. 이러한 인쇄전자소자 (Printed Electronics)를 대량으로 생산할 수 있는 방법으로 주목되고 있는 것이 롤투롤(Roll-to-Roll) 인쇄 방식을 이용한 생산시스템이며 이 기술은 미세 선폭 패턴, 정밀 속도, 장력제어, 사행 제어의 구현을 필요로 한다.
그러나 부품의 정밀도 및 제어, 적용 환경 변수 등에 매우 민감하게 반응하기 때문에 설계 변수들에 대한 최적 값 선정 및 외란 대처 방안 등이 기본적으로 연구되어야 한다. 이 논문에서는 이러한 전자소자 인쇄에 사용될 미세 선폭 롤 프린팅 기술과 롤투롤 장비 연구에 대해 기술하고자 한다.
가설 설정
먼저 그라비아 선 제판방식으로 제판된 미세회로 패턴의 인쇄판 통을 확보할 수 있다고 가정하면 이렇게 마련된 패턴 요부에 인쇄판 실린더를 잉크통에 잠기도록 하여 잉크를 채운다. 이때 잉크통 속에서 요부에 잉크를 밀어 넣는 보조 롤러를 밀착시켜 미세요부에 충실한 잉크 채움이 이루어지게 할 수 있다.
시뮬레이션에서는 실제 실험과 같이 Ri =40, F=100 로 주었고 포아송 비는 ν =0.4, 마찰계수 µ = 0 으로 가정하였다.
의 계산을 위하여 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS 를 이용하였다. 인쇄 공정 중의 롤러 회전과 제판의 이송 등을 고려하기 위해서는 동역학과 변형을 같이 해석할 수 있는 해석 툴이 사용되어야 하지만 여기서는 동역학적인 측면은 고려하지 않고 정적 상태로 가정하고 해석하였다.
제안 방법
인쇄가 이루어진 후 마지막으로 리와인딩하는 장치는 일정한 장력 또는 점차 약화되는 장력으로 조정하여 감길 수 있게 장력 제어에 의하여 조정되는 서보모터를 운용한 리와인더를 설치하도록 하였다. 그리고 뒷묻음 방지를 위하여 간지 공급장치를 병설하도록 설계하였다.
인쇄 유닛의 설계는 그 중에서 잉크층을 제판의 모양대로 패턴형상을 안전하게 전이하는 방법이 구현되게 하는 것이라고 볼 수 있다. 따라서 잉크층의 전이구조가 가장 안정한 그라비아 오프셋 방식을 발전시켜 새로이 설계하였다.
먼저 피인쇄체의 공급방식을 결정하고 이에 따라 언와인더 장치의 구조를 설계하였다. 언와인더는 프레임, 급지 축 롤러, 파우더 브레이크 및 동력전달 기어 등으로 구성하였고, 기초 프레임의 좌단에 설치할 수 있도록 구조를 설계하였다.
미세 선폭 패터닝을 위한 기초 실험으로 간이실험 장치를 구현하여 옵셋 인쇄와 그라비아 방식의 두 가지 인쇄 방식에 대해 선행 실험을 수행하였다.1 Fig.
10 은 잉크 인쇄 패턴 왜곡을 실험적으로 검증하기 위한 실험 장치이다. 볼-스크류에 의해 직선으로 이송되는 평판 제판과 블랑켓 롤러, 가압 롤러로 구성되어 있으며 공기압 장치에 의해 각 롤러에 독립적으로 압력을 가할 수 있는 구조로 제작되었다. 제판의 패턴은 웹 진행 방향을 기준으로 할 경우 길이 0.
먼저 피인쇄체의 공급방식을 결정하고 이에 따라 언와인더 장치의 구조를 설계하였다. 언와인더는 프레임, 급지 축 롤러, 파우더 브레이크 및 동력전달 기어 등으로 구성하였고, 기초 프레임의 좌단에 설치할 수 있도록 구조를 설계하였다.
언와인더에서 풀려나온 필름은 인쇄 유닛에 일정한 위치로 정확하게 진입되어야 한다. 이를 위해서는 필름의 이송 방향이 인쇄 실린더 축 방향 정위치에 수직으로 고정되도록 EPC(Edge Position controller)를 설치하였다 EPC 는 필름 가장자리 끝부분을 일정하게 위치하도록 맞추는 장치이며, 광학적인 검출센서가 비접촉식으로 에지의 위치를 검출한다. 에지의 흐름이 위치를 벗어나 축 방향으로 이동하면 센서에 검지되어 가이드 롤 (Guider roll)의 구동부를 이동시켜 정위치로 이송을 조정하도록 한다.
5mm, 폭 120mm 로 롤러의 폭 100mm 보다 크게 하여 인쇄 시 잉크의 유무에 따른 마찰력의 영향을 줄이도록 하였다. 인쇄 속도는 0.025m/s 로 매우 낮은 속도로 인쇄를 수행하여 동역학적인 요소의 영향을 최소화 하도록 하였다. Fig.
인쇄가 이루어진 후 마지막으로 리와인딩하는 장치는 일정한 장력 또는 점차 약화되는 장력으로 조정하여 감길 수 있게 장력 제어에 의하여 조정되는 서보모터를 운용한 리와인더를 설치하도록 하였다. 그리고 뒷묻음 방지를 위하여 간지 공급장치를 병설하도록 설계하였다.
각 인쇄 유닛의 정렬 마크를 정확하게 측정 평가하고 조정하는 장치로서 고해상의 CCD 카메라, 화상처리장치 및 서보제어가 구성되었다. 인쇄된 인쇄물의 건조를 위한 건조기는 열풍 및 UV 램프로 설계하였다. 피인쇄체에 인쇄된 회로선을 보호하기 위한 도포나 박막유전체 도포를 위한 코팅기는 그라비아 코팅 방식으로 설계하였다.
인쇄를 하기 위해서는 웹 원단을 급지 축에 거치하고 파우더 브레이크에 의한 수동적인 피인쇄체의 언와인딩은 급지 축 롤러 회전을 위하여 장력이 필요하고, 이 장력은 일반적으로 인피더(Infeeder)에 의하지만 실험 정치에서는 제 1 인쇄 유닛이 담당하도록 하였다. 종이와 플라스틱 호일과 같은 재질은 일정한 안정권의 장력범위 이상으로 장력이 발생하면 필름의 변형이 발생하고 급격한 감속시에는 구김(Wrinkling) 문제가 생기므로 적절한 인쇄 속도와 장력조절이 필요하다.
피인쇄체의 사행을 제어하는 롤 가이더를 제 1 인쇄 유닛 진입 전에 설치하였다. 인쇄유닛의 설계는 그라비아 옵셋 방식의 인쇄를 수행하기 위하여 먼저 인쇄회로를 제판한 판통 표면이 잉크 저장통에 잠겨 있다가 나오면서 닥터 블레이드로 표면의 잉크는 제거되고 회로패턴의 인쇄잉크는 탄성체인 블랑켓 실린더 상에 전달되면 이를 피인쇄체에 인쇄 실린더로 가압하여 인쇄를 수행하는 시스템으로 구성하였다. 또한 2 개의 인쇄 유닛이 동일한 방식에 의하여 제 1, 제 2 인쇄가 이루어지는 인라인 구조이다.
인쇄유닛의 설계는 그라비아(Gravure) 옵셋 방식의 인쇄를 수행하기 위하여 먼저 인쇄회로를 제판한 판통(Plate cylinder)표면이 잉크 저장통(Ink fountain)에 잠겨 있다가 돌아 나오면서 닥터 블레이드(Doctor blade)로 표면의 잉크는 제거되고 회로패턴의 인쇄잉크는 탄성체 수지층의 블랑켓 실린더(Blanket cylinder) 상에 전달되면 이를 피인쇄체에 인쇄 실린더(Impression cylinder)로 가압하여 인쇄를 수행하는 시스템으로 구성하였다. 2 개의 인쇄 유닛이 동일한 방식에 의하여 제 1, 제 2 인쇄가 이루어지는 인라인(In-line)구조다.
종이와 플라스틱 호일과 같은 재질은 일정한 안정권의 장력범위 이상으로 장력이 발생하면 필름의 변형이 발생하고 급격한 감속시에는 구김(Wrinkling) 문제가 생기므로 적절한 인쇄 속도와 장력조절이 필요하다. 장력의 검출은 로드 셀 (Load cell) 방식으로 채택하여 정확한 장력값을 검출하도록 하였다. 언와인더에서 풀려나온 필름은 인쇄 유닛에 일정한 위치로 정확하게 진입되어야 한다.
제작된 시스템의 인쇄 성능 평가를 위해 일반 인쇄용 유성 잉크를 이용하여 인쇄 실험을 수행하였다. 피 인쇄체로는 일반 백상지와 PET 필름을 사용하였고 인쇄 속도는 1~60m/min 의 범위에서 실험을 수행하였다.
볼-스크류에 의해 직선으로 이송되는 평판 제판과 블랑켓 롤러, 가압 롤러로 구성되어 있으며 공기압 장치에 의해 각 롤러에 독립적으로 압력을 가할 수 있는 구조로 제작되었다. 제판의 패턴은 웹 진행 방향을 기준으로 할 경우 길이 0.5mm, 폭 120mm 로 롤러의 폭 100mm 보다 크게 하여 인쇄 시 잉크의 유무에 따른 마찰력의 영향을 줄이도록 하였다. 인쇄 속도는 0.
인쇄된 인쇄물의 건조를 위한 건조기는 열풍 및 UV 램프로 설계하였다. 피인쇄체에 인쇄된 회로선을 보호하기 위한 도포나 박막유전체 도포를 위한 코팅기는 그라비아 코팅 방식으로 설계하였다.
대상 데이터
또한 2 개의 인쇄 유닛이 동일한 방식에 의하여 제 1, 제 2 인쇄가 이루어지는 인라인 구조이다. 각 인쇄 유닛의 정렬 마크를 정확하게 측정 평가하고 조정하는 장치로서 고해상의 CCD 카메라, 화상처리장치 및 서보제어가 구성되었다. 인쇄된 인쇄물의 건조를 위한 건조기는 열풍 및 UV 램프로 설계하였다.
제작된 시스템의 인쇄 성능 평가를 위해 일반 인쇄용 유성 잉크를 이용하여 인쇄 실험을 수행하였다. 피 인쇄체로는 일반 백상지와 PET 필름을 사용하였고 인쇄 속도는 1~60m/min 의 범위에서 실험을 수행하였다. Fig 13-(a), (b)는 선폭 60µm, 선간 20µm, (a)는 선 깊이 10µm, (b)는 선 깊이 20µm 의 제판으로부터 인쇄된 결과이다.
데이터처리
닙 변형량 Sp 와 변형율 Gn 의 계산을 위하여 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS 를 이용하였다. 인쇄 공정 중의 롤러 회전과 제판의 이송 등을 고려하기 위해서는 동역학과 변형을 같이 해석할 수 있는 해석 툴이 사용되어야 하지만 여기서는 동역학적인 측면은 고려하지 않고 정적 상태로 가정하고 해석하였다.
이론/모형
또한 가열경화의 경우 온도한계에 의하여 피인쇄체의 선택이 영향을 받는다. 피인쇄체에 인쇄된 회로선을 보호하기 위한 도포나 박막유전체 도포를 위하여 코팅하는 방식은 그라비아 코팅 방식으로 설계하였다.
성능/효과
이 논문에서는 그라비아 옵셋 프린팅을 이용하여 20 ㎛ 선 패턴 인쇄를 수행하였고 그라비아 옵셋 인쇄에서 발생하는 인쇄 패턴 왜곡 현상에 대한 원인은 고무 롤러의 변형에 따른 닙 변형량인 것을 밝혔으며 롤러의 재질, 고무의 두께, 하중 등에 따라 패턴의 왜곡 정도가 달라짐을 보였다. 그라비아 옵셋 인쇄기를 설계, 제작하였고 미세 퍄턴에 대한 인쇄 실험을 수행하여 약 20 µm 수준의 미세 선폭 인쇄가 가능함을 보였다.
또한 60µm 선폭의 경우 선의 끊김이 거의 없이 인쇄 품질이 우수하게 나타났으나 30µm 이하의 경우 선의 끊김 현상과 인쇄 불량 현상이 나타났다.
또한 블랑켓의 표면 조도가 좋아 질수록 전이 성능이 향상되며, 따라서 조도가 높은 블랑켓을 사용하는 것이 효과적임을 알아내었다.
4, 마찰계수 µ = 0 으로 가정하였다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 정성적 경향이 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.
이 논문에서는 그라비아 옵셋 프린팅을 이용하여 20 ㎛ 선 패턴 인쇄를 수행하였고 그라비아 옵셋 인쇄에서 발생하는 인쇄 패턴 왜곡 현상에 대한 원인은 고무 롤러의 변형에 따른 닙 변형량인 것을 밝혔으며 롤러의 재질, 고무의 두께, 하중 등에 따라 패턴의 왜곡 정도가 달라짐을 보였다. 그라비아 옵셋 인쇄기를 설계, 제작하였고 미세 퍄턴에 대한 인쇄 실험을 수행하여 약 20 µm 수준의 미세 선폭 인쇄가 가능함을 보였다.
특히 Fig. 2 에서 보듯이 20µm 수준의 선폭 인쇄를 실험적으로 확인하여 그라비아 옵셋 인쇄 방식으로 20µm 수준의 선폭 인쇄가 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
롤투롤 인쇄 방식에 의한 전자소자 생산은 전통적으로 사용되던 인쇄기법에 최근의 정밀 제어 기술과 가공 기술이 적용되어 매우 경제적으로 미세 선폭 프린팅을 구현할 수 있는 장비로 평가되고 있다. 그러나 부품의 정밀도 및 제어, 적용 환경 변수 등에 매우 민감하게 반응하기 때문에 설계 변수들에 대한 최적 값 선정 및 외란 대처 방안 등이 기본적으로 연구되어야 한다. 이 논문에서는 이러한 전자소자 인쇄에 사용될 미세 선폭 롤 프린팅 기술과 롤투롤 장비 연구에 대해 기술하고자 한다.
이것은 제판의 선폭이 얇아질수록 선의 깊이를 깊게 하는데 한계가 있어 최대 10µm 정도의 깊이로만 가공이 가능하고 또한 제판의 선 깊이도 일정하게 가공하는데 어려움이 있어 제판 자체에 잉크가 충분히 묻지 못해 일어난 현상으로 판단된다. 따라서 향후 제판 가공 정밀도를 높이고 선의 깊이를 깊게 해서 잉크가 충분히 묻도록 제판 성능을 개선할 필요가 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
언와인더 장치는 무엇으로 구성되었는가?
먼저 피인쇄체의 공급방식을 결정하고 이에 따라 언와인더 장치의 구조를 설계하였다. 언와인더는 프레임, 급지 축 롤러, 파우더 브레이크 및 동력전달 기어 등으로 구성하였고, 기초 프레임의 좌단에 설치할 수 있도록 구조를 설계하였다.
롤투롤 인쇄 방식은 어떤 구현을 필요로 하는가?
그 중 하나가 폴리머 칩에 의한 저가의 RFID 태그, 스마트 센서, 플라스틱 태양전지 등의 유비쿼터스 환경 구축에 충당될 새로운 제품의 생산 프로세스를 개발하는 기술이다. 이러한 인쇄전자소자 (Printed Electronics)를 대량으로 생산할 수 있는 방법으로 주목되고 있는 것이 롤투롤(Roll-to-Roll) 인쇄 방식을 이용한 생산시스템이며 이 기술은 미세 선폭 패턴, 정밀 속도, 장력제어, 사행 제어의 구현을 필요로 한다. 장차이와 같은 인쇄전자소자가 유비쿼터스 기반을 형성하는데 막대하게 소요될 RFID 태그와 무선센서 등에 응용되고 롤투롤 인쇄방식이 이들을 생산하는 기술로 사용될 전망에 따라 선진국에서는 연구개발에 이미 상당한 투자를 지원하고 있다.
인쇄유닛의 설계는 어떻게 구성하였는가?
인쇄유닛의 설계는 그라비아(Gravure) 옵셋 방식의 인쇄를 수행하기 위하여 먼저 인쇄회로를 제판한 판통(Plate cylinder)표면이 잉크 저장통(Ink fountain)에 잠겨 있다가 돌아 나오면서 닥터 블레이드(Doctor blade)로 표면의 잉크는 제거되고 회로패턴의 인쇄잉크는 탄성체 수지층의 블랑켓 실린더(Blanket cylinder) 상에 전달되면 이를 피인쇄체에 인쇄 실린더(Impression cylinder)로 가압하여 인쇄를 수행하는 시스템으로 구성하였다. 2 개의 인쇄 유닛이 동일한 방식에 의하여 제 1, 제 2 인쇄가 이루어지는 인라인(In-line)구조다.
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