KR100953475B1

KR100953475B1 - 전자소자 연속공정 롤투롤 인쇄를 위한 초정밀 레지스터제어 방법

Info

Publication number: KR100953475B1
Application number: KR1020080014933A
Authority: KR
Inventors: 신기현; 강현규
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2010-04-16
Also published as: US8807032B2; EP2248151A4; US20100313781A1; EP2248151A1; JP5413986B2; JP2011512274A; KR20090089649A; US20110203472A1; WO2009104841A1

Abstract

본 발명은 전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 상향 인쇄롤의 속도변화로 인한 레지스터외란을(feedforward) 제어로직을 사용하여 보상함으로써 추가적인 레지스터 외란을 제거할 수 있는 전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄시 초정밀 레지스터 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 현 스팬의 레지스터 에러값만을 보상하는 효과를 가져오므로 일반적인 피드백(feedback)제어로직만을 사용할 경우보다 정밀한 인쇄시스템의 레지스터 제어를 구현할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Description

전자소자 연속공정 롤투롤 인쇄를 위한 초정밀 레지스터 제어 방법{Feedforward control of downstream register errors for electronic roll-to-roll printing system}

최근 전통적 인쇄공정에서 사용하는 연속공정 롤투롤(roll-to-roll) 인쇄 방식을 통한 대량, 저가격의 전자소자 생산에 관심이 집중되고 있다. 기존의 배치(batch)방식을 통한 전자소자의 생산은 단속적인 생산 방식과 애칭(etching)등으로 인한 생산공정의 복잡성으로 인해 생산성이 높지 않았다.

반면 연속공정을 통한 롤투롤 방식의 생산은 소재를 연속적으로 생산할 수 있으며, 은이나 니켈 같은 금속 나노입자가 포함된 잉크를 직접 소재에 인쇄함으로서 생산속도가 급격히 증가하게 된다. 하지만 일반 인쇄매체에 사용되는 전통적인 인쇄공정을 전자소자 롤투롤 인쇄에 적용하기 위해서는 인쇄 정밀도를 높여야 하는 문제가 존재한다. 전통적인 인쇄공정의 정밀도는 100micron 이며, 이는 인간의 눈으로 구별할 수 있는 최소오차를 의미한다. 하지만 전자소자는 그 적용 대상에 따라 1~50micron 혹은 그 이하의 인쇄정밀도를 요구한다.

보통 연속공정 인쇄기는 섹셔널 타입의 레지스터 제어기(sectional type register controller)와 보상롤 타입의 제어기(compensator roll type register controller)가 존재하며 최근의 연속공정 인쇄는 섹셔널 타입의 레지스터 제어기가 사용되고 있다.

보다 구체적으로 도1 및 도2를 참조하여 각각을 살펴본다.

먼저, 도1은 보상롤 타입 레지스터 제어기의 구성도인데, 도1을 참조하면 상기 보상롤 타입 레지스터 제어기가 메인모터 하나로 구동력을 전달하여 각 인쇄롤들을 회전시키며, 이때 각 롤러에는 기어박스가 설치되어 있고, 모든 인쇄롤은 동일한 속도로 회전하게 되는 것을 알 수 있다. 또한 인쇄롤 사이에는 보상롤(compensator roll)이 설치되어 있고, 이 보상롤의 움직임을 통해서 스팬길이를 조절하여 인쇄위치를 제어하게 된다. 하지만 이런 방식에서는 보상롤, 메인모터, 기어박스, 리니어 모션 가이드 등의 추가적장비들을 설치해야 하므로 비용적 측면과 공간활용면에서 효율이 낮은 편이다.

이러한 단점을 개선하기 위해서 도2와 같은 섹셔널 타입의 레지스터 제어기가 사용되고 있다. 상기 섹셔널 타입의 레지스터 제어기는 메인축(shaft)을 없애고, 각 인쇄롤(printing cylinder)를을 개별적인 모터로 구동하는 방식이므로, 각 인쇄롤(printing cylinder)의 개별적인 속도제어가 가능하기 때문에 보상 롤(compensator roll)도 없어진다.

따라서 레지스터 에러의 제어방식도 달라지게된다. 기존의 보상롤(compensator roll)타입의 인쇄기에서는 보상롤의 움직임을 통해 스팬길이를 변화하여 인쇄롤간의 위상차이를 발생시켜 레지스터 에러를 보상한 반면에 섹셔널타입의 인쇄기에서는 각 프린팅 실린더의 모터 속도 변화를 통하여 에러를 보상한다. 즉 레지스터 에러의 크기만큼 인쇄롤의 위상을 변화시킴으로서 레지스터 에러를 보상하는 원리이다.

이때, 섹셔널타입의 인쇄기에서 가장 크게 고려해야 할 점은 기존의 보상롤 타입에서는 보상롤의 움직임이 다음 스팬의 길이에 영향을 미치지 않았지만, 섹셔널타입에서는 에러보상을 위한 인쇄롤의 속도입력이 인쇄롤의 전-후간의 위상 변화에 직접적인 영향을 미치게 된다. 따라서 현 스팬의 에러는 보상이 되었지만 이로 인해 그 다음 스팬에도 레지스터 에러가 발생하게 된다.

이것은 도 3에 나타나있다. 도3은 두번째 인쇄롤의 속도를 펄스로 변화시킬 때, 1,2번과 2,3번간의 레지스터 에러를 나타낸 그래프 및 구성도인데, 각 레지스터에러 Y2, Y3는 같은 크기, 다른 방향으로 존재하게 됨을 알 수 있다.

전통적 인쇄시스템에서는 이러한 에러를 보상하기 위해 각 인쇄실린더마다 PID control과 같은 되먹임제어(feedback control)방법을 통해 각 스팬에서 발생하는 레지스터에러를 제어하고 있다. 하지만, 전자소자 롤투롤 인쇄를 위한 초정밀 레지스터 제어를 구현하기 위해서는 이러한 다음스팬에 발생하는 레지스터에러를 정확한 값으로 미리 보상하여 레지스터 에러의 발생가능성을 줄여야 한다.

본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 다년간 연구 노력한 결과 레지스터 모델과 장력모델을 사용하여 인쇄롤의 속도입력으로 인해 발생하는 다음 스팬의 레지스터 에러를 보상하기 위한 상향(upstream)보상 레지스터 제어기법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상향 인쇄롤의 속도변화로 인한 레지스터외란을(feedforward) 제어로직을 사용하여 보상함으로써 추가적인 레지스터 외란을 제거할 수 있는 전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄시 초정밀 레지스터 제어방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 인쇄정밀도를 향상시켜 전자소자 인쇄에 적합한 롤투롤 전자소자 인쇄시스템의 구현을 가능케 하는 초정밀 레지스터 제어기법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄시 초정밀 레지스터 제어방법에 있어서, 상향 인쇄롤의 속도변화로 인한 레지스터 외란을 피드포워드( feedforward)제어 로직을 통해 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 레지스터제어방법을 제공하는 것이다.

상기 피드포워드( feedforward)제어 로직은 언와인더구간과 인피드구간을 통해 1번 인쇄롤을 통해 들어오는 소재가 장력 제어되는 단계; 상기 소재가 2번 인쇄 롤을 통과한 직후 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백 제어기(feedback controller)를 통해 제1피드백 제어보상신호가 계산되는 단계; 상기 2번 인쇄롤에 상기 제1피드백 제어보상신호가 입력되는 단계; 3번 인쇄롤을 통과한 상기 소재는 상기 3번 인쇄롤 후단에 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백 제어기를 통해 제2피드백 제어보상신호를 계산하는 동시에 상기 2번 인쇄롤에 입력되는 신호를 입력값으로하여 피드포워드 제어기(feedforward controller)를 통해 앞섬보상 제어신호를 계산하는 단계; 및 상기 3번 인쇄롤에 상기 제2피드백 제어보상신호와 제1앞섬보상 제어신호를 더한 값이 입력되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

4번 인쇄롤을 통과한 상기 소재는 상기 4번 인쇄롤 후단에 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백 제어기를 통해 제3피드백 제어보상신호를 계산하는 동시에 상기 3번 인쇄롤에 입력되는 신호를 입력값으로 사용하여 피드포워드 제어기를 통해 제2앞섬보상 제어신호를 계산하는 단계; 및 상기 4번 인쇄롤에 제3피드백 제어보상신호와 제2앞섬보상 제어신호를 더한 값이 입력되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 3번 인쇄롤의 속도는 하기의 식:

,여기서, V ₃ 는 3번 인쇄롤의 속도, V ₂ 는 2번 인쇄롤의 속도,

는 시정수, s는 라플라스 도메인 변수

을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 초정밀 레지스터 제어방법은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 초정밀 레지스터 제어방법에 의하면 상향 인쇄롤의 속도변화로 인한 레지스터외란을(feedforward) 제어로직을 사용하여 보상함으로써 추가적인 레지스터 외란을 제거할 수 있다.

또한 본 발명의 초정밀 레지스터 제어방법에 의하면 인쇄정밀도를 향상시켜 전자소자 인쇄에 적합한 롤투롤 전자소자 인쇄시스템의 구현을 가능케 한다.

이하, 본 발명의 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도4는 3개의 인쇄롤을 갖는 프린팅 시스템이다. 각 스팬의 레지스터와 장력모델을 통하여 본 발명의 상향보상 레지스터 제어기를 설계하는 것을 보다 구체적으로 설명한다.

1. 장력모델(Tension model)

다음은 도4와 같이 2개의 스팬을 갖는 시스템의 장력모델이다.

(1)

(2)

단, 여기서

이다.

2. 레지스터 에러 모델(Register error model)

도 4와 같이 두개의 스팬을 갖는 시스템의 레지스터 모델은 다음의 식(1), (2)와 같다.

(1)

(2)

단, 여기서

이다.

는 스트레인(strain)의 변화량으로 식(3)과 같은 관계에 있다.

(3)

이때, A는 소재의 단면적이고, E는 소재의 종탄성계수이다.

상술된 장력과 레지스터의 관계를 이용하여 레지스터에러 Y3를 보상해주는 보상값은 식(4)와 같고,

(4)

여기서, V ₃ 는 3번 인쇄롤의 속도, V ₂ 는 2번 인쇄롤의 속도,

는 시정수, s는 라플라스 도메인 변수(복소 변수)이다.

는 구체적으로 도5a와 같은 형태이다.

의 입력을 도5a와 같이 주었을 때, 레지스터 에러

,

는 도5b와 같다.

즉, 레지스터 에러를 보상할 때, 동일한 위상의 펄스입력을 주되, 그 다음 스팬에 발생되는 레지스터 에러를 낮추기 위해서는 레지스터 에러의 수학적 모델에서 에러가 0이 되는 속도관계에 따라, 그 다음 롤의 속도를 그림 5a의 분포대로 입력시켜 준다.

이러한 방법으로 하향(downstream)에 있는 인쇄롤의 속도를 조절하여 레지스터 에러 보상으로 인한 하향(downstream)의 원치않는 레지스터 에러를 도5b와 같이 보상할 수 있다.

도6을 참조하여, 전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄시 초정밀 레지스터 제어방법을 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 1번 인쇄롤을 통해 들어오는 소재는 언와인더(unwinder) 구간과 인피 드(infeed) 구간을 통해 장력제어가 된다.

그 다음 1-2번 인쇄롤을 통과한 소재는 2번 인쇄롤을 통과한 직후 설치되어 있는 레지스터 센서(비젼 시스템 혹은 광센서 혹은 레이저변위측정 센서 등)를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백제어기(feedback controller)를 통해 제1피드백 제어보상신호가 계산되고, 상기 계산된 제1피드백 제어보상신호가 2번롤에 입력된다.

2-3번 인쇄롤을 통과한 소재는 3번 인쇄롤 후단에 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백제어기를 통해 피드백 제어보상신호를 계산하며, 동시에 상기 2번 인쇄롤에 입력되는 제1 피드백 제어보상신호를 입력값으로 사용하여 피드포워드 제어기(feedforward controller)를 통해 제1 앞섬보상 제어신호를 계산한다.

상기 3번 인쇄롤에 제1피드백 제어보상신호와 제1 앞섬보상 제어신호를 더한 값이 입력된다.

3-4번 인쇄롤을 통과한 소재는 4번 인쇄롤 후단에 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백제어기를 통해 제2피드백 제어보상신호를 계산하며, 동시에 상기 3번 인쇄롤에 입력되는 신호(제1피드백 제어보상신호+제1앞섬보상제어신호)를 입력값으로 사용하여 피드포워드제어기를 통해 제2앞섬보상 제어신호가 계산된다.

상기 4번 인쇄롤에 제2피드백 제어보상신호와 제2앞섬보상제어신호를 더한 값이 입력된다.

이러한 방법으로 상향(upstream) 인쇄롤의 속도변화로 인한 레지스터외란을 피드포워드(feedforward)제어로직을 통해 보상함으로써, 추가적인 레지스터 외란을 제거할 수 있다. 그 결과 현 스팬의 레지스터 에러값만을 보상하는 효과를 갖게 되므로 본 발명에 의하면 종래 기술과 같이 일반적인 피드백(feedback) 제어로직만을 사용할 경우보다 정밀한 인쇄시스템의 레지스터 제어를 구현할 수 있게 하여 롤투롤 전자소자 인쇄시스템의 구현이 가능하다.

한편, 본 발명은 실시예를 참고하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것인바, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

도1은 보상롤 타입 레지스터 제어기의 구성도

도2는 섹셔널 타입 레지스터 제어기의 구성도

도3은 두번째 인쇄롤의 속도를 펄스로 변화시킬 때, 1,2번과 2,3번간의 레지스터 에러를 나타낸 그래프 및 구성도

도4는 3개의 인쇄롤을 갖는 프린팅 시스템 구성도

도5a는 V₃의 제어입력량

도5b는 Y₂, Y₃의 레지스터 에러

도6은 레지스터 에러 보상에 대한 제어신호를 도시한 구성도

Claims

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전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄시 레지스터 제어방법에 있어서,

상향 인쇄롤의 속도변화로 인한 레지스터 외란을 피드포워드( feedforward)제어 로직을 통해 보상하는 단계를 포함하고,

상기 피드포워드( feedforward)제어 로직은

언와인더구간과 인피드구간을 통해 1번 인쇄롤을 통해 들어오는 소재가 장력 제어되는 단계;

상기 소재가 2번 인쇄롤을 통과한 직후 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백 제어기(feedback controller)를 통해 제1피드백 제어보상신호가 계산되는 단계;

상기 2번 인쇄롤에 상기 제1피드백 제어보상신호가 입력되는 단계;

3번 인쇄롤을 통과한 상기 소재는 상기 3번 인쇄롤 후단에 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백 제어기를 통해 제2피드백 제어보상신호를 계산하는 동시에 상기 2번 인쇄롤에 입력되는 신호를 입력값으로하여 피드포워드 제어기(feedforward controller)를 통해 앞섬보상 제어신호를 계산하는 단계; 및

상기 3번 인쇄롤에 상기 제2피드백 제어보상신호와 제1앞섬보상 제어신호를 더한 값이 입력되는 단계를 포함하되,

상기 3번 인쇄롤의 속도는 하기의 식:

,

여기서, V_i+1 는 i+1번째 인쇄롤의 속도, V_i 는 i번째 인쇄롤의 속도,
는 시정수, s는 라플라스 도메인 변수(복소 변수), i=2,3,4,…

을 만족하는 것을 특징으로 하는 초정밀 레지스터제어방법.
제2항에 있어서,

4번 인쇄롤을 통과한 상기 소재는 상기 4번 인쇄롤 후단에 설치되어 있는 레지스터 센서를 통해 레지스터 에러값이 계산된 후, 피드백 제어기를 통해 제3피드백 제어보상신호를 계산하는 동시에 상기 3번 인쇄롤에 입력되는 신호를 입력값으로 사용하여 피드포워드 제어기를 통해 제2앞섬보상 제어신호를 계산하는 단계; 및

상기 4번 인쇄롤에 제3피드백 제어보상신호와 제2앞섬보상 제어신호를 더한 값이 입력되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 레지스터제어방법.
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