KR101097146B1 - 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템 및 퍼지 제어 방법 - Google Patents

Abstract

웹의 폭방향 위치 외란을 퍼지 제어 로직을 사용하여 제어함으로써 폭방향 위치 외란을 제거할 수 있는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템 및 퍼지 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 퍼지 제어 방법은, 전자소자제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄방법에 있어서, 퍼지 폭방향 위치 제어기를 이용하여 상류에서 발생하는 폭방향 위치 에러(Error)와 에러의 합(sum_Error), 에러의 비(rate_Error)를 계산하고, 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 하류의 가이더 시스템의 롤을 움직이도록 하는 것으로서, 상류에서 발생한 폭방향 위치 외란을 제거하는 효과가 있고, 인쇄정밀도를 향상시켜 전자소자 인쇄에 적합한 롤투롤 전자소자 인쇄시스템을 구현함으로써, 종래의 PID 제어방법에 비교할 때 오버슈트(overshoot) 문제를 개선할 수 있는 보다 정밀한 인쇄시스템의 레지스터 제어를 구현할 수 있는 효과도 있다.

퍼지 제어 로직, 롤투롤 인쇄방식, 폭방향 위치 에러, 외란

Description

롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템 및 퍼지 제어 방법{Fuzzy control system of lateral position error for the roll-to-roll printed electronics system and Fuzzy control method thereof}

본 발명은 전자소자 제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웹의 폭방향 위치 외란을 퍼지 제어 로직을 사용하여 제어함으로써 폭방향 위치 외란을 제거할 수 있는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템 및 퍼지 제어 방법에 관한 것이다.

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 인 쇄에 적용하기 위해서는 인쇄 정밀도를 높여야 하는 문제가 존재한다.

전통적인 인쇄공정의 정밀도는 100 micron 이며, 이는 인간의 눈으로 구별할 수 있는 최소오차를 의미한다. 하지만 전자소자는 그 적용 대상에 따라 1~50 micron 혹은 그 이하의 인쇄정밀도를 요구한다.

따라서, 최근에는 롤투롤 공정의 제어 면에서도 이전보다 향상된 정밀도가 절실히 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 전자소자 제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄방법에서 웹의 폭방향 위치 외란을 퍼지제어로직을 사용하여 제어함으로써, 폭방향 위치 외란을 제거할 수 있는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템 및 퍼지 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 인쇄정밀도를 향상시켜 전자소자 인쇄에 적합한 롤투롤 전자소자 인쇄 시스템을 구현할 수 있는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템 및 퍼지 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템은 퍼지 폭방향 위치 제어기를 이용하여 상류에서 발생하는 폭방향 위치 에러(Error)와 에러의 합(sum_Error), 에러의 비(rate_Error)를 계산하고, 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 하류의 가이더 시스템의 롤을 움직이도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 폭방향 변위의 퍼지 제어 로직에 의하여 상기 정해진 규칙에 따른 값을 산출할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 퍼지 폭방향 위치 제어기는 퍼지화기(Fuzzification), 규칙 시스템(Rule system), 추론기(Inference Machine), 비퍼지화기(defuzzification)로 구성된다.

또한, 본 발명의 퍼지 제어 시스템은 상류에서 발생하는 폭방향 변위를 감지하기 위한 스팬 롤러부와, 상기 스팬 롤러부의 입측 및 출측에 설치되어 폭방향 변위를 측정하는 센서와, 상기 스팬 롤러부에 설치되어 웹의 폭방향 위치 변위를 보정하는 가이드부가 더 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 퍼지 폭방향 위치 제어기에서 출력되는 아날로그 신호를 증폭하는 엠프와, 하류의 가이더 시스템의 롤을 움직이도록 증폭된 신호를 전달받는 모터와, 변위형 가이드 시스템 모델과, 웹 동역학 모델이 구비되어, 상기 모터와 변위형 가이드 시스템 모델과, 웹 동역학 모델을 지나 되먹임 제어가 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 방법은, (a) 상류에서 폭방향 위치 에러가 발생하는 것을 검출하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 에러가 발생하였을 때, 되먹임 제어기를 통하여 폭방향 위치 에러(Error)와 에러의 합(sum_Error), 에러의 비(rate_Error)를 계산하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 계산결과로 미리 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 하류의 가이더 시스템의 롤을 움직이는 모터에 신호를 보내는 단계; (d) 상기 (c)단계의 신호에 따라 상기 모터의 위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c) 단계에서의 신호는, 폭방향 변위의 퍼지 제어 로직 신호인 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 방법에 의하면, 상류에서 발생한 폭방향 위치 외란을 퍼지 제어로직을 사용하여 제어함으로써 폭방향 위치 외란을 제거하는 효과가 있다.

또한, 인쇄정밀도를 향상시켜 전자소자 인쇄에 적합한 롤투롤 전자소자 인쇄시스템을 구현함으로써, 종래의 PID 제어방법에 비교할 때 오버슈트(overshoot) 문제를 개선할 수 있는 보다 정밀한 인쇄시스템의 레지스터 제어를 구현할 수 있는 효과도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 블록도이고, 도 2는 본 발명에서 폭방향 변위를 측정하기 위한 스팬 모델을 도시한 정면도 및 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 폭방향 위치 제어의 흐름을 도시한 플로우 차트이고, 도 4a 내지 도 4b는 폭방향 변위 가이드 시스템의 개념을 도시한 정면도 및 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 퍼지 폭방향 위치 제어기(100)를 이용하여 상류에서 발생하는 폭방향 위치 에러와 에러의 합, 에러의 비를 계산하고 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 하류의 가이더 시스템의 롤을 움직이는 구성을 갖는다.

즉, 상류에서 폭방향 위치 에러가 발생하였을 때, 퍼지 폭방향 위치 제어기(100)를 통하여 폭방향 위치 에러와 에러의 합, 에러의 비를 계산하고, 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 하류의 가이더 시스템의 롤을 움직이는 모터(160)에 신호를 보냄으로써 위치 제어를 한다.

상기 퍼지 폭방향 위치 제어기(100)는 퍼지화기(Fuzzification)(102), 규칙 시스템(Rule system)(108), 추론기(Inference Machine)(104), 비퍼지화기(defuzzification)(106)로 구성된다.

도 1의 블록도에는 폭방향 변위의 생성과정과 폭방향 변위가 여러 스팬(110)(120)(130)을 거처 가이드 시스템으로 진입되는 과정, 그리고 폭방향 변위가 퍼지 제어기(100)에 의해 보정되는 과정을 나타내고 있다.

입력된 폭방향 변위는 3가지의 스팬 모델(110)(120)(130)을 지나게 되며 도 2의 EDS2 센서에서 폭방향 변위를 측정하게 된다. 측정된 폭방향 변위는 에러와 에러의 합, 에러의 비로 나누어져 퍼지화되어 퍼지 제어기(100)를 거처 디퍼지화가 된다. 디퍼지화 된 신호는 아날로그 신호로 바뀌게 되고 엠프(모터 드라이브)(150)를 거쳐 증폭이 된다.

증폭된 신호는 DC모터 모델(160), 변위형 가이드 시스템 모델(170)과 웹 동역학 모델(180)을 지나 되먹임 제어가 된다.

여기서, 소재의 폭방향 제어는 웹에 발생되는 폭방향 변위를 가이드를 이용하여 일정한 위치로 유지하도록 하는 장치이다. 도 3과 같이 센서로부터 수신되는 에너지의 양을 통해서 웹의 폭방향 변위를 감지한다. 제어기에서 출력되는 전기적 신호는 가이드 시스템을 동작시켜 에너지의 양을 일정하게 유지시킴으로서 소재의 폭방향 변위를 제어한다.

도 4a 내지 도 4b에서 보는 바와 같이, 변위형 가이드(140)는 상부에 위치한 2개의 평행한 롤러(112)(122)가 중앙의 회전중심을 기준으로 회전하여 웹과 롤러 사이의 마찰력과 장력의 차이를 발생시켜 이송하는 웹의 폭방향 위치 변위를 보정한다.

웹은 가이드 시스템의 입측 롤러(112)과 출측 롤러(122)의 각도가 변함에 따라 비틀리게 되고, 비틀림은 소재 내부에 응력 분포를 변하게 한다. 이는 소재와 롤러 간의 마찰력과 장력을 변하게 하여 폭방향 변위를 생성시키게 된다.

이와 같이 폭방향 변위가 생성되면 가이드(140)를 이용하여 일정한 위치로 유지하도록 함으로써, 소재의 폭방향 제어를 한다.

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 퍼지 제어기 입력을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 퍼지 제어기 출력을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 퍼지 제어기에 사용된 모든 Membership function(MF)은 삼각형과 사다리꼴 형태의 MF이다. 이러한 형태의 장점으로는 defuzzyfication 과정에서 결과의 집합을 삼각형이나 사다리꼴 영역으로 나눌 수 있기 때문에 시간을 절약할 수 있다. 에러 변수는 퍼지제어 과정의 주요한 변수이기 때문에 4가지 언어적 변수들이 사용된다. 4가지 변수들은 "so negative", "so positive", "normal" and "small" 이다. 에러가 negative이고 크기가 증가할 때, 에러는 "so negative" 이다.

negative number는 각 시스템의 구성에 따라서 선택되고 "so positive" 언어학적 변수 역시 같은 방법으로 설명이 된다.

에러가 영(zero)의 값에서 1 정도의 크기로 진동하게 될 때 에러는 "normal" 이다. 에러가 "normal"과 같은 형태를 가지지만 진동하는 진동의 범위가 더욱 작을 경우, 시스템은 이런 상황에서 조용하고 안정적인 시스템이 된다.

에러의 합 "sum of error"과 에러의 비 "rate of error"는 두 가지 지원(supporting) 변수이다.

이러한 에러 변수를 결합하여 설계된 제어 시스템은 응답 특성과 안전성이 증가된다. 이렇게 단수화한 것은 시뮬레이션의 계산시간을 줄이기 위한 시도 중에 한가지이다.

도 6의 "Analog output"은 퍼지 제어기(100)에서 모터(160)로 보내는 출력신호이다.

"smooth"한 출력과 응답을 만들기 위해서, 5개의 변수가 만들어졌다. 왼쪽에서부터 오른쪽으로 "very negative", "negative" , "little", "positive" and "very positive" 가 나열되었다. 두가지 변수 "very negative" 와 "very positive"는 에러가 매우 클 때의 상황에 대하여, 제어기는 가능한 빠른 시간 동안 에러를 수정하기 위해 매우 큰 신호를 모터에 준다.

도 7은 본 발명에 따른 퍼지 제어 규칙을 나타낸 도표이다. 이 규칙 시스템(rule system)은 제어기의 핵심이다. 규칙 시스템은 제어기의 행동(behavior)을 나타내게 된다. 본 발명의 퍼지 제어기는 PID제어기의 동작을 모방하도록 만들어 졌다. rule#1 과 rule#2 , rule#7 은 시스템의 에러를 수정하기 위해 주요한 역할을 한다. 그것들을 에러 변수에만 관련이 있고, P 제어기와 같은 작동을 한다(u = KP*e). 만약 에러가 매우 큰 겨우(so negative or so positive), 이러한 규칙은 에러를 빠르게 보정하기 위하여 반대편으로 큰 출력(very positive or very negative)을 생성하게 된다. 그리고 에러가 작을 경우에는 제어기의 출력 값 역시 "little" (rule#7) 이 된다.

세 가지 언어적 변수 "so negative"와 "so positive", "small"은 변수에러의 전체 도메인으로 연장되기 때문에, 제어기가 작동할 때 이세가지 규칙 중 한가지는 항상 활성화된다.

Rule#3 and rule#4 는 "brake"로써 행동하며, 이러한 규칙은 에러가 영의 위치에서 매우 작은 양(각각 "normal" 언어적 변수)으로 진동할 때 활성화된다.

이러한 규칙은 에러가 작고 변화의 비가 매우 클 때, 비율을 줄이기 위해, 오버슈트를 줄이기 위해, 오버슈트를 줄이고 시스템의 안정성을 증가시키기 위해 활성화된다. 그래서 이러한 규칙들은 D (u=KD*de/dt).제어기와 유사하다.

Rule#5 와 rule#6 은 누적에러에 관한 I 제어기(u=KI*edt) 의 성능을 획득한다. 그것들은 에러가 작을 때, 다른 규칙으로부터의 출력이 시스템을 구동하는데 충분하지 않을 경우 (실제 시스템에서 마찰로 인해), 에러는 시간과 함께 증가하고 축적된 오류는 크게 변한다. 그리고 이러한 규칙들은 에러를 수정하기 위한 출력신호를 생성하기위해 작동된다. 그 규칙들은 시스템의 정상상태 에러를 줄이기 위해 기능을 한다고 말할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, Line-speed = 0.5 m/s, Sine input: amplitude 10mm, f= 0.1 Hz 이다.

도 8은 10mm amplitude and 0.1Hz frequency의 폭방향 변위를 제어하는 퍼지제어기의 결과를 나타내고 있다. 노란색 곡선은 가이드를 지나기 전에 센서에서 측정된 폭방향 변위이다. 이러한 폭반향 변위는 입력된 에러로부터 전달되며, 따라서 동일한 주파수 진폭이 있지만 크기는 작다. 그리고 빨간색 곡선은 가이드 시스템을 지나 퍼지제어기에 의해 제어된 출력위치에서 측정된 에러이다. 보정된 최대 에러는 약 0.1mm로 측정되었다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 블록도.

도 2는 본 발명에서 폭방향 변위를 측정하기 위한 스팬 모델을 도시한 정면도 및 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 폭방향 위치 제어의 흐름을 도시한 플로우 차트.

도 4a 내지 도 4b는 폭방향 변위 가이드 시스템의 개념을 도시한 정면도 및 평면도.

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 퍼지 제어기 입력을 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 퍼지 제어기 출력을 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 퍼지 제어 규칙을 나타낸 도표.

도 8은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 퍼지 제어기 110, 120, 130 : 스팬 롤러부

150 : 엠프 160 : 모터

170 : 변위형 가이드 시스템 모델 180 : 웹 동역학 모델

Claims (7)

1. 전자소자 제조를 위한 연속공정 롤투롤 인쇄 시스템에 있어서,

   상류의 롤투롤 인쇄 공정에서 발생하는 폭방향 변위를 보정하며, 상류의 롤투롤 인쇄 공정에서 발생된 웹의 폭방향 변위를 감지하기 위해 상부에 평행하게 위치한 입측 롤러와 출측 롤러를 포함하는 스팬롤러부, 상기 스팬 롤러부의 입측 및 출측에 설치되어 웹의 폭방향 변위를 측정하는 센서 그리고 상기 스팬 롤러부에 설치되며 상기 스팬 롤러부를 회전 중심을 중심으로 회전시킴에 의해 웹의 폭방향 위치 변위를 보정하는 가이드부를 구비하는 변위형 가이드; 및

   상류의 롤투롤 인쇄 공정에서 발생하는 웹의 폭방향 위치 에러(Error)와 에러의 합(sum_Error), 에러의 비(rate_Error)를 계산하고, 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 상기 변위형 가이드를 구동하는 퍼지 폭방향 위치 제어기;

   를 포함하는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 퍼지 폭방향 위치 제어기는 퍼지화기(Fuzzification), 규칙 시스템(Rule system), 추론기(Inference Machine), 비퍼지화기(defuzzification)로 구성되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 퍼지 폭방향 위치 제어기에서 출력되는 아날로그 신호를 증폭하는 엠프와,

   상기 변위형 가이드의 롤을 움직이도록 증폭된 신호를 전달받는 모터와,

   변위형 가이드 시스템 모델과,

   웹 동역학 모델이 구비되어,

   상기 모터와 변위형 가이드 시스템 모델과, 웹 동역학 모델을 지나 되먹임 제어가 되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 시스템.
6. (a) 상류의 롤투롤 인쇄 공정에서 웹의 폭방향 위치 에러가 발생하는 것을 검출하는 단계;

   (b) 상기 (a)단계에서 에러가 발생하였을 때, 퍼지 폭방향 위치 제어기를 통하여 웹의 폭방향 위치 에러(Error)와 에러의 합(sum_Error), 에러의 비(rate_Error)를 계산하는 단계;

   (c) 상기 (b)단계의 계산결과로 미리 정해진 규칙에 따른 값을 산출하여 하류의 변위형 가이드의 롤을 움직이는 모터에 신호를 보내는 단계;

   (d) 상기 (c)단계의 신호에 따라 상기 모터의 위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 인쇄방식 전자소자 생산을 위한 폭방향 변위의 퍼지 제어 방법.
7. 삭제

Images