KR101684914B1 - 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 접촉식 인쇄에 사용되는 롤 인쇄기에 메인 인압부 및 서브 인압부로 구성된 이중 인압 제어 장치가 구비되도록 하여, 메인 인압부 및 서브 인압부의 병행 사용을 통해 고속 및 고정밀의 인압 제어를 동시 달성할 수 있도록 하는, 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기를 제공함에 있다.

Description

이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 {Roll printer using dual pressure controller}

본 발명은 롤-투-롤 구조로 형성되어 유연 기판과 같은 웹(web)에 인쇄, 전사 공정 등을 수행하는 롤 인쇄기에 있어서 롤 간 인압력의 제어를 보다 정밀하게 수행할 수 있도록 하기 위한, 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기에 관한 것이다.

기존의 전자 소자 제작 기술에서는 리소그래피(lithography) 기술이 널리 사용되어 왔다. 그런데 리소그래피 기술을 사용하여 실제 공정을 구성하자면, 진공 증착, 노광, 현상, 도금 또는 에칭 등 다양하고 복잡한 세부 공정들이 필요하여, 공정 설계 및 장치 구성이 복잡해지는 등의 문제가 있었다. 더불어 다양한 분야에서의 미세 기술의 발전으로 인하여, 굳이 포토 리소그래피가 아니고서도 다른 방식으로 집적 회로를 만들 수 있는 방법이 모색되어 왔다.

전자 인쇄는 간단히 인쇄(printing) 공정을 수행함으로써 전자 소자를 제작하는 방식의 기술이다. 전자 인쇄는 앞서 설명한 포토 리소그래피 공정을 대체함으로써 포토 리소그래피 공정에 내재되어 있는 공정 복잡성을 근본적으로 제거해 줄 수 있기 때문에, 최근 다양한 분야로 적용 범위가 확대되는 등 그에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근 활용되고 있는 인쇄 기술로, 비접촉식 인쇄 기술로는 잉크젯, 스프레이, 슬롯다이 코팅 등이 있으며, 접촉식 인쇄 기술로는 그라비아, 그라비아 옵셋, 리버스 옵셋, 스크린 인쇄를 대표적으로 들 수 있다.

한편, 최근 반도체 제작 기술에 있어서 단단한 재질의 기판이 아닌 유연한 재질의 필름 형태의 기판이 사용되는 경우가 증가하고 있다. 이러한 필름 형태의 기판을 사용할 경우 공정 속도가 증대되어 대량 양산이 가능해지는 장점이 있다. 이 때 여기에 상술한 바와 같은 전자 인쇄 기술이 결합되면 더욱 생산 효율이 증가할 수 있다는 점에서, 이러한 롤투롤(roll-to-roll) 생산 방식과 전자 인쇄 기술의 결합에 대한 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다.

비접촉식 인쇄 기법의 경우 넓은 면적을 고르게 코팅하는 식의 인쇄를 수행하기에 적합한 반면, 미세한 패턴을 형성하기 위해서는 그라비아, 리버스 옵셋 등과 같은 접촉식 인쇄 기법이 주로 사용된다. 이러한 접촉식 인쇄 기법에서는 연속적 공정을 위해 일반적으로 롤이 많이 사용된다. 이러한 접촉식 인쇄 기법은 단단한 재질의 기판 또는 유연한 재질의 기판 모두에 적용할 수 있는데, 단단한 재질의 기판의 경우 롤과 스테이지 상에 놓인 기판이 접촉하게 되며, 유연한 재질의 기판의 경우 롤과 다른 롤 또는 다른 평판형 지지부에 의해 지지되는 유연 기판이 접촉하게 된다. 기판을 제외하면 전자의 경우에는 롤과 스테이지가 접촉하는 셈이 되며, 후자의 경우에는 롤과 롤 또는 롤과 평판형 지지부가 접촉하는 셈이 된다.

이러한 롤을 이용한 접촉식 전자 인쇄는 앞서 설명한 바와 같이 크게 롤투롤(roll-to-roll, R2R) 방식과 롤투피(roll-to-plate, R2P) 방식이 있다. 전자는 인쇄 또는 전사가 이루어질 때 두 개의 롤이 서로 접촉하는 것이고, 후자는 롤과 평판(플레이트, plate)이 서로 접촉하는 것이다. 접촉식 전자 인쇄에 있어서 최종 생산된 제품의 질은, 바로 이러한 접촉 과정에서 얼마나 전사가 효율적이고 균질하게 잘 이루어지느냐에 달려 있음은 잘 알려져 있는 사실이다.

R2R 방식이건 R2P 방식이건 롤과 롤 또는 롤과 평판은 전사가 이루어질 때에는 서로 접촉하고, 그렇지 않을 때에는 서로 이격되어 있게 된다. 이 때 롤과 롤 또는 롤과 평판 사이의 간격을 조절하거나 또는 접촉 시 인압을 조절하기 위하여, 접촉식 인쇄 장비에는 인압 제어 장치가 필수적으로 당연하게 구비된다. 이러한 롤과 롤 또는 롤과 평판의 접촉 시 전사가 원래 설계한 바에 따라 잘 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 당연히 롤과 롤 또는 롤과 평판을 접촉시키는 인압의 정밀 제어가 필요하다는 것은 자명하다.

인압 제어 장치는 롤을 선형으로 이동시킬 수 있는 구성이면 되므로 일반적인 선형 구동 장치가 인압 제어 장치로서 사용된다. 즉 모터와 스크류 또는 랙 기어 등을 이용하여 모터의 회전 운동을 선형 운동으로 변환시킴으로써 대상물(인쇄 장비의 인압 제어 장치에서의 대상물은 롤이 될 수 있다)을 선형으로 이동시키는 구성 등이 일반적으로 사용되는 구성이다. 이러한 일반적인 선형 구동 장치에서의 대상물의 이동 거리 범위는 목적에 따라 스크류 또는 랙 기어의 크기 등을 조절함으로써 다양하게 달라질 수 있으며, 이동 정밀도 역시 스크류 또는 랙 기어의 크기나 모터의 회전 속도 등을 조절함으로써 다양하게 달라질 수 있다. 이러한 장치에 있어서 인압 제어는 인쇄 품질에 직접적인 영향을 끼치기 때문에, 이와 같은 인압 제어와 관련된 연구는 꾸준히 이루어지고 있으며, 그러한 연구 결과로서 한국특허공개 제2009-0036728호("롤-투-롤 윤전인쇄시스템의 인압 제어장치", 2009.04.15, 이하 선행기술 1) 등이 개시되고 있다.

한편 접촉식 전자 인쇄로 만들어지는 제품 자체가 전자 회로와 같은 매우 고정밀도의 제품이며, 앞서 설명한 바와 같이 접촉식 전자 인쇄에 있어서 R2R, R2P의 접촉 인압은 전사 정밀도에 직접적인 영향을 주기 때문에, 전자 인쇄 장비에서의 이러한 접촉 인압의 제어는 상당히 높은 정밀도가 요구된다. 또한 최근 전자 회로의 집적도가 점점 높아짐에 따라, 기존보다 점점 더 높은 정밀도가 요구되어 가는 경향이 더욱 강해지는 실정이다.

종래에는 선형 구동 장치가 일반적으로 사용되는 서보 모터, 스크류 또는 랙 기어 등으로 만들어졌으며, 상기 선행기술 1에 개시된 인압 제어장치의 경우에도 이러한 구성으로 이루어져 있다. 그런데 이러한 종래의 선형 구동 장치의 경우, 상대적으로 큰 힘의 인압 및 큰 거리의 이동을 구현하고 제어하는 것은 용이하나 아주 정밀하고 미세한 움직임을 구현하는 것에는 한계가 있다. 특히 고속으로 움직이면서도 고정밀도의 제어를 수행하는 것은 더욱 어려움이 있는 것이다. 따라서 점점 더 고정밀도가 요구되는 전자 인쇄 기술에 있어서, 기존의 인압 제어 장치로는 요구되는 만큼의 인압 제어를 구현하기가 점점 더 어려워지고 있다.

한편, 위에서 말한 바와 같이 서보 모터를 이용하는 방식보다 좀더 높은 정밀도가 요구되는 선형 구동을 위하여 다른 방식의 선형 구동 장치들도 개시되어 있는데, 보이스 코일 모터, 솔레노이드, 리니어 모터 등이 그 예시가 될 수 있다. 특히 보이스 코일 모터란, 스피커의 보이스 코일에 흐르는 음성 전류와 마그네트에서 발생하는 자기력 사이에 플레밍의 왼손 법칙에 의한 힘이 발생하여 스피커의 진동관이 앞뒤로 진동하는 것에 착안하여 개발된 모터로서, 체적이 작고, 전기 소모량이 적으며, 작동 변위가 정확하고, 가격이 저렴한 점 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 보이스 코일 구동기는 카메라 모듈에서의 렌즈의 이동과 같이 비교적 짧은 거리를 정밀하게 직선으로 이동시키는 액추에이터에 적합하여, 카메라의 자동 초점 조절 장치 등에 사용된다. 이와 같이 카메라의 자동 초점 조절 장치에 사용되는 보이스 코일 구동기의 일반적인 구성이 한국특허공개 제2011-0076063호("보이스 코일 모터", 2011.07.06, 이하 선행기술 2) 등에 잘 나타나 있다.

이러한 장치들의 경우 서보 모터를 이용하는 방식에 비하여 훨씬 빠른 응답 속도를 보이기 때문에 고정밀 제어에 유리하다는 큰 장점이 있다. 그러나 이러한 보이스 코일 모터, 솔레노이드, 리니어 모터 등의 경우 정밀한 구동이 가능한 대신 이동 거리 범위 자체가 매우 짧으며, 또한 인가할 수 있는 힘의 최대치도 상대적으로 상당히 작기 때문에, 기술 사용 영역이 상당히 제한되어 있다. 예를 들어 보이스 코일 모터의 경우 상기 선행기술 2에 나타난 바와 같이 카메라 자동 초점 조절 장치와 같은 매우 소형의 장치에 응용되는 정도이다. 즉 이러한 고정밀 제어가 가능한 선형 구동 장치의 경우 상대적으로 매우 큰 힘을 필요로 하는 롤 인쇄기의 인압 제어에 그대로 적용되기에는 어려움이 있다.

1. 한국특허공개 제2009-0036728호("롤-투-롤 윤전인쇄시스템의 인압 제어장치", 2009.04.15) 2. 한국특허공개 제2011-0076063호("보이스 코일 모터", 2011.07.06)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 접촉식 인쇄에 사용되는 롤 인쇄기에 메인 인압부 및 서브 인압부로 구성된 이중 인압 제어 장치가 구비되도록 하여, 메인 인압부 및 서브 인압부의 병행 사용을 통해 고속 및 고정밀의 인압 제어를 동시 달성할 수 있도록 하는, 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기는, 수평면 형태의 베이스(140) 상에 구비되는 이동가능한 인쇄롤(110) 및 고정구비된 백업롤(120)을 포함하여 이루어지며, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 사이에 웹(200)이 개재되어, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 회전에 의하여 상기 웹(200)이 이송되되, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 간의 인압력에 의하여 상기 웹(200)에 인쇄가 이루어지도록 형성되는 롤 인쇄기(100)에 있어서, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 회전축 방향을 제1방향, 제1방향과 수직한 방향을 제2방향이라 하고, 제1방향 및 제2방향은 수평면을 형성하며, 제3방향은 상기 수평면에 대한 수직 방향이라 할 때, 상기 롤 인쇄기(100)는 상기 인쇄롤(110)이 제2방향을 따라 이동하며 상기 웹(200) 및 상기 백업롤(120)을 제2방향을 따라 인압하도록 이루어지며, 상기 인쇄롤(110)의 제2방향 인압력을 피드백 제어하되, 메인 인압부(131) 및 서브 인압부(132)가 병렬 배치되어 이루어지는 이중 인압 제어 장치(130); 를 포함하여 이루어지되, 상기 메인 인압부(131)의 인압력은 상대적으로 상기 서브 인압부(132)의 인압력보다 크며, 상기 메인 인압부(131)의 응답속도는 상대적으로 상기 서브 인압부(132)의 응답속도보다 작도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 구체적으로는, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는, 상기 메인 인압부(131)의 경우 응답속도 범위가 느린 반면 인압력 범위에 크게 제한되지 않으며 인압의 롤 회전주기에 따른 평균 값(중간 값)을 조절하는 역할을 할 수 있도록, 상기 서브 인압부(132)의 인압력 범위에 비해 10 ~ 100배 범위로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 이와 더불어 상기 서브 인압부(132)의 경우 고속 정밀제어를 위하여 응답속도 범위가 기계적 시정수 0.01 ~ 0.001초 정도로 매우 빠른 조건을 만족하여, 내외부적 요인에 의한 외란 인압을 제어할 수 있을 조건의 인압력 범위를 만족하여야 된다.

또한 상기 이중 인압 제어 장치(130)는, 상기 메인 인압부(131)에 의해 상기 인쇄롤(110)이 상기 백업롤(120)을 인압하는 기준 압력이 인가되고, 상기 서브 인압부(132)에 의해 외란에 대한 동적 댐핑이 이루어져 상기 인쇄롤(110)의 인압력이 일정하게 유지되도록 제어될 수 있다.

또한 상기 롤 인쇄기(100)는, 상기 베이스(140) 상의 제2방향 일측에 고정 구비되는 인쇄롤 지지부(111); 상기 인쇄롤(110)의 회전축과 연결되며, 상기 베이스(140) 상에서 제2방향을 따라 선형 이동 가능하도록 형성되는 인쇄롤 이송부(112); 상기 베이스(140) 상의 제2방향 타측에 고정 구비되며, 상기 백업롤(120)의 회전축과 연결되는 백업롤 지지부(121); 상기 백업롤 지지부(121) 상에 구비되어, 제2방향을 따라 상기 인쇄롤(110)의 상기 백업롤(120)에 대한 인압력을 측정하는 인압력 측정부(122); 를 더 포함하여 이루어지며, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는, 상기 인쇄롤 지지부(111) 및 상기 인쇄롤 이송부(112) 사이에 구비되며, 상기 인압력 측정부(122)에 의하여 측정된 인압력을 사용하여 상기 인쇄롤 이송부(112)의 제2방향 인압력을 피드백 제어하도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 이중 인압 제어 장치(130)는, 상기 메인 인압부(131)가 서보 모터, 공압 실린더, 유압 실린더 중 선택되는 적어도 어느 하나의 선형 구동 장치로 이루어지며, 상기 서브 인압부(132)가 보이스 코일 모터, 리니어 모터, 솔레노이드, 피에조 액츄에이터 중 선택되는 적어도 어느 하나의 선형 구동 장치로 이루어질 수 있다. 이 때 상기 메인 인압부(131) 또는 상기 서브 인압부(132)는, 둘 이상의 서로 다른 종류의 선형 구동 장치로 이루어질 경우, 각 선형 구동 장치는 직렬로 연결되는 것이 바람직하다. 더불어 상기 이중 인압 제어 장치(130)는, 상기 메인 인압부(131) 및 상기 인쇄롤 이송부(112) 사이에 배치되어, 상기 메인 인압부(131)와 직렬로 연결되는 댐퍼(133)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 인압력 측정부(122)는 로드셀일 수 있다. 이 때 상기 롤 인쇄기(100)는, 상기 백업롤 지지부(121)가 제3방향으로 연장되며 상기 베이스(140) 상에 고정 구비되는 수직부(121a) 및 제2방향으로 연장되며 일측 끝단에 상기 백업롤(120)의 회전축이 연결되는 수평부(121b)를 포함하여 이루어지며, 상기 인압력 측정부(122)는 상기 수직부(121a) 및 상기 수평부(121b) 사이에 개재 구비되도록 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 접촉식 전자 인쇄 장비에 사용되는 인압 제어 장치에 있어서, 종래에 비하여 훨씬 고속 및 고정밀의 인압 제어를 실현할 수 있게 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 이중 인압 제어 장치는, 롤 인쇄기에 메인 인압부 및 서브 인압부로 구성된 이중 인압 제어 장치가 구비되도록 하되, 메인 인압부에는 기존과 유사한 서보 모터 방식을 적용하고, 서브 인압부에는 보이스 코일 모터 등과 같은 고정밀 제어가 가능한 방식을 적용한다. 이에 따라 인압을 주기 위한 큰 힘을 메인 인압부로 발생시키면서 서브 인압부를 통해 고속의 응답성을 얻을 수 있어, 결론적으로 고속 및 고정밀의 인압 제어를 동시에 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

특히 본 발명에 의하면, 메인 인압부 및 서브 인압부가 병렬 배치되도록 하여 구동 제어를 위한 이동 거리 계산 등이 훨씬 용이하게 이루어질 수 있어, 알고리즘을 단순화하고 계산량을 저감하는 효과가 있다. 물론 이에 따라 계산 속도가 빨라짐으로써 보다 빠른 제어가 이루어질 수 있게 하는 효과 또한 있다.

또한 본 발명에 의하면, 인쇄롤, 백업롤, 이중 인압 제어 장치 등의 배치 구조에 의하여, 인쇄롤 및 백업롤 간의 인압력 전달이 각 롤 중심에 가해지도록 이루어짐으로써, 구조물의 변형을 최소화하고 정확한 인압의 전달이 가능해지며, 물론 이에 따라 인압 제어가 훨씬 정확하고 정밀하게 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 이와 같이 고속 및 고정밀의 인압 제어가 가능해짐에 따라, 본 발명에 의하면 R2R이나 R2P 형태의 접촉식 전자 인쇄 장비에 있어서 전사 속도 및 정밀도 모두를 향상시킬 수 있는 효과도 있다. 물론 이에 따라 궁극적으로는 고속으로 고정밀의 제품을 생산할 수 있어 생산 효율을 향상하고 불량률을 낮추는 효과도 또한 있다.

도 1은 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 실시예 사시도.
도 2는 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 실시예 상면도.
도 3은 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 실시예 측면도.
도 4는 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 개략적 측면도.
도 5는 본 발명의 제어 모델.
도 6은 종래 및 본 발명의 제어 블록도 비교.
도 7은 본 발명에 의한 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기의 제어 실험 결과.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 실시예를 도시하고 있는데, 도 1은 사시도를, 도 2는 상면도를, 도 3은 측면도를 각각 도시하고 있다. 또한 도 4는 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기 개략적 측면도를 도시하고 있다. 도 1 내지 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기(100)는 기본적으로 롤-투-롤(R2R) 방식의 롤 인쇄기 형태로서 인쇄롤(110) 및 백업롤(120)을 포함하여 이루어진다. 보다 구체적으로는, 상기 롤 인쇄기(100)는, 수평면 형태의 베이스(140) 상에 구비되는 이동가능한 인쇄롤(110) 및 고정구비된 백업롤(120)을 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 사이에 웹(200)이 개재되어, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 회전에 의하여 상기 웹(200)이 이송되게 된다. 또한 이 때 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 간의 인압력에 의하여 상기 웹(200)에 인쇄가 이루어지도록 형성된다. 상기 롤 인쇄기(100)의 이러한 구조는 기존의 R2R 방식의 롤 인쇄기의 기본 구성인 바 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

여기에서, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 회전축 방향을 제1방향, 제1방향과 수직한 방향을 제2방향이라 하고, 제1방향 및 제2방향은 수평면을 형성하며, 제3방향은 수직 방향이라 한다. 이 때, 본 발명의 상기 롤 인쇄기(100)는 상기 인쇄롤(110)이 제2방향을 따라 이동하여 상기 웹(200) 및 상기 백업롤(120)을 제2방향을 따라 인압하도록 이루어진다. 기존의 R2R 방식의 롤 인쇄기의 경우 인쇄롤 및 백업롤에 해당하는 롤들이 수직 방향(본 발명의 용어를 기준으로 하면 제3방향)으로 인압되도록 하는 경우가 많았으나, 본 발명에서는 그와는 달리 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)이 수평 방향으로 인압되도록 구성된다.

이 때, 본 발명의 롤 인쇄기(100)는, 상기 인쇄롤(110)의 제2방향 인압력을 피드백 제어하되, 메인 인압부(131) 및 서브 인압부(132)가 병렬 배치되어 이루어지는 이중 인압 제어 장치(130)를 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 메인 인압부(131)의 인압력은 상대적으로 상기 서브 인압부(132)의 인압력보다 크며, 상기 서브 인압부(132)의 응답속도는 상대적으로 상기 메인 인압부(131)의 응답속도보다 빠르도록 형성되도록 한다. 보다 구체적으로는, 상기 메인 인압부(131)의 인압력 범위가 상기 서브 인압부(132)의 인압력 범위에 비해 10 ~ 100배 범위로 이루어지고, 상기 서브 인압부(132)의 응답속도 범위가 기계적 시정수 0.01~0.001초 범위로 이루어지도록 할 수 있다.

더욱 구체적으로는, 상기 메인 인압부(131)는 서보 모터, 공압 실린더, 유압 실린더 등과 같은 선형 구동 장치로 이루어질 수 있으며, 상기 서브 인압부(132)는 보이스 코일 모터, 리니어 모터, 솔레노이드, 피에조 액츄에이터 등과 같은 선형 구동 장치로 이루어질 수 있다.

더불어, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는 댐퍼(133)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 댐퍼(133)는 상기 메인 인압부(131) 및 상기 인쇄롤 이송부(112) 사이에 배치되어, 상기 메인 인압부(131)와 직렬로 연결된다. 상기 댐퍼(133)는 외란에 의한 인압의 변화폭을 줄여주며, 인압의 변화폭이 줄어들면 상기 서브 인압부(132)의 선형 구동 장치 선정에 있어서 보다 작은 용량의 장치를 선정할 수 있다. 상기 댐퍼(133)를 실제 구현함에 있어서, 상기 댐퍼(133)는 적절히 형상 변형이 가능한 재질 즉 예를 들어 고무, 에어 패드 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에서 상술한 바와 같이 상기 이중 인압 제어 장치(130)를 상기 메인 인압부(131) 및 상기 서브 인압부(132)가 병렬 배치되도록 하고 각각의 동적 특성이 다르게 설정되게 하는 것은, 상기 메인 인압부(131)에 의해 상기 인쇄롤(110)이 상기 백업롤(120)을 인압하는 기준 압력이 인가되고, 상기 서브 인압부(132)에 의해 외란에 대한 동적 댐핑이 이루어져 상기 인쇄롤(110)의 인압력이 일정하게 유지되게 제어되도록 하기 위함이다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 제어 모델이며, 도 6은 종래 및 본 발명의 제어 블록도 비교도이다. 도 5에 기재된 수식은 상기 인쇄롤(110)에 대한 것으로서, x 방향이 본 발명의 제2방향에 해당하며, F_main은 상기 메인 인압부(131)에서 인가되는 인압력을, F_sub는 상기 서브 인압부(132)에서 인가되는 인압력을 각각 의미한다. 또한 M은 상기 인쇄롤(110) 질량을 나타내고, k는 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 접촉 시 발생되는 탄성 변형 등에 따른 시스템 탄성계수를 나타낸다. F_d는 외란(disturbance)에 의한 힘을 나타내는 것이며, 마지막으로 F_m은 실제 측정된 인압력을 나타낸다.

인쇄 준비 단계에서는 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)이 이격되어 있으며, 이 사이로 상기 웹(200)을 개재시키는 등의 준비 과정이 이루어진다. 다음으로 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)이 접촉될 때까지 상기 인쇄롤(110)이 이동되며, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)이 접촉된 후 미리 설계된 바에 따른 적절한 인압력이 발생될 정도로 눌려진 상태에서 인쇄 작업이 시작된다. 이 이후 즉 인쇄 작업이 계속되는 동안에는, 이상적으로는 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 중심 간의 간격이 변화될 필요가 없다. 그러나 실제로는 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 형상 변화, 축 및 베어링의 편심 등과 같은 다양한 원인에 의하여, 미리 설계된 인압력, 즉 기준 인압력 F_r이 설계된 대로 제대로 인가되지 못하는 문제가 있었다. 이를 극복하기 위하여, 실제로 인가되는 인압력을 측정한 값 즉 측정 인압력 F_m을 구하여 기준 인압력 F_r과 비교함으로써 피드백 제어가 수행되게 하였다. C_vcm은 이러한 피드백 제어를 위한 서브 인압부의 제어기 모델이다.

종래에는 본 발명에서의 메인 인압부(131)에 해당하는 서보 모터만을 사용하여 인압력을 제어하였으며, 서브 인압부(132)에 해당하는 구성이 없었다. 따라서 도 6(A)에 도시된 바와 같이 기준 인압력 F_r이 인가되고 측정 인압력 F_m이 측정되면, 그 차이값에 따라 서보 모터를 사용하여 인쇄롤의 이동 거리를 변화시켜 인압력을 조절하였다(즉 측정 인압력 F_m이 기준 인압력 F_r보다 작으면 인압력을 좀더 증가시키기 위해 인쇄롤을 좀더 백업롤 쪽으로 이동시키고, 반대의 경우에도 유사한 방식으로 인쇄롤을 이동시켜 조절하였다). 그런데, 이처럼 종래의 인압 제어 장치에서 사용되는 방식 즉 서보 모터의 회전 운동을 선형 운동으로 전환하는 방식의 경우 큰 힘의 인가 및 긴 거리의 이동 제어가 가능한 장점이 있는 대신 응답성이 느리고 또한 정밀한 위치 이동이 어렵기 때문에 고정밀 제어가 불가능하다는 문제가 있었던 것이다.

한편 서보 모터 방식의 경우 상술한 바와 같이 고정밀 제어가 불가능하다는 단점을 극복하기 위해, 서보 모터 방식이 아닌 선형 구동 장치를 도입하고자 하는 시도가 있었다. 응답성이 빨라 고정밀 제어가 가능하다는 장점이 있는 선형 구동 장치로서 보이스 코일 모터 등과 같은 장치가 기존에도 존재하였으나, 대신 이러한 장치들은 인가 가능한 힘 및 이동 가능한 거리에 큰 한계가 있어 롤 인쇄기의 인압 제어 장치에 적용이 어렵다는 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서는, 즉 상기 메인 인압부(131)의 역할 및 상기 서브 인압부(132)의 역할을 분담하여 구성되도록 한다. 즉 구체적으로는, 롤 인쇄기에 메인 인압부 및 서브 인압부로 구성된 이중 인압 제어 장치가 구비되도록 하되, 메인 인압부에는 기존과 유사한 서보 모터 방식을 적용하고, 서브 인압부에는 보이스 코일 모터 등과 같은 고정밀 제어가 가능한 방식을 적용한다. 이를 구체적으로 도시한 것이 도 6(B)의 제어 블록도이다. 즉, 인쇄 작업이 이루어지는 동안 이상적인 상태라면 상수값으로 유지되는 인압력이 인가될 것이며, 이 인압력을 인가하는 것은 상기 메인 인압부(131)가 담당한다. 한편, 실제 인쇄 작업 시 다양한 외부 요인에 의하여 인압력이 변화되는데, 이러한 변화에 대처하는 것은 상기 서브 인압부(132)가 담당한다. 이처럼 각각의 인압부(131)(132)들이 도 6(B)에 도시된 바와 같이 역할을 분담함과 동시에 병렬 배치되도록 이루어짐으로써, 일정한 인압력을 유지하기 위한 큰 힘은 메인 인압부로 발생시키면서 동시에 서브 인압부를 통해 고속의 응답성을 얻을 수 있게 되는 것이다.

또한 이와 같은 방식을 통해 본 발명에서는 구동 제어를 위한 이동 거리 계산 등이 훨씬 용이하게 이루어질 수 있다. 즉 상기 메인 인압부(131) 및 상기 서브 인압부(132)는 병렬 배치되어 있기 때문에, 상대좌표를 이용하지 않고 절대좌표를 이용하여 계산할 수 있므로, 따라서 구동 제어에 있어서의 알고리즘을 단순화하고 계산량을 저감할 수 있는 것이다. 물론 이에 따라 계산 속도가 빨라짐으로써 보다 빠른 제어가 이루어질 수 있는 장점 또한 있으며, 결론적으로 고속 및 고정밀의 인압 제어를 동시에 실현할 수 있게 된다.

더불어 본 발명의 롤 인쇄기(100)에서는, 상술한 바와 같이 상기 이중 인압 제어 장치(130)가 서로 병렬 배치된 상기 메인 인압부(131) 및 상기 서브 인압부(132)로 이루어지는 것과 더불어, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 간의 인압력 전달이 롤 중심에 가해지도록 구성됨으로써 상기 이중 인압 제어 장치(130)의 제어가 보다 원활하게 이루어지게 한다. 이처럼 구성되는 본 발명에서의 상기 이중 인압 제어 장치(130)를 포함하는 상기 롤 인쇄기(100)의 구체적인 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 롤 인쇄기(100)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 인쇄롤 지지부(111), 인쇄롤 이송부(112), 백업롤 지지부(121), 인압력 측정부(122)를 더 포함하여 이루어진다.

상기 인쇄롤 지지부(111)는, 상기 베이스(140) 상의 제2방향 일측에 고정 구비된다. 또한 상기 인쇄롤 이송부(112)는, 상기 인쇄롤(110)의 회전축과 연결되며, 상기 베이스(140) 상에서 제2방향을 따라 선형 이동 가능하도록 형성된다. 이 때 상기 이중 인압 제어 장치(130)가 상기 인쇄롤 지지부(111) 및 상기 인쇄롤 이송부(112) 사이에 구비됨으로써, 상기 이중 인압 제어 장치(130)에서 인가되는 힘에 따라 상기 인쇄롤 이송부(112)의 이동이 제어된다. 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)이 서로 이격된 상태인 동안에는 상기 이중 인압 제어 장치(130)에서 인가되는 힘은 단지 상기 인쇄롤 이송부(112)를 이동시키는 데에만 사용되겠으나, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)이 접촉한 이후에는 상기 이중 인압 제어 장치(130)에서 인가되는 힘은 상기 인쇄롤 이송부(112)의 이동과 더불어 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 간의 인압력 또한 제어하게 된다.

상기 백업롤 지지부(121)는, 상기 베이스(140) 상의 제2방향 타측에 고정 구비되며, 상기 백업롤(120)의 회전축과 연결된다. 또한 상기 인압력 측정부(122)는, 상기 백업롤 지지부(121) 상에 구비되어, 제2방향을 따라 상기 인쇄롤(110)의 상기 백업롤(120)에 대한 인압력을 측정한다. 이 때 상기 이중 인압 제어 장치(130)는, 상기 인압력 측정부(122)에 의하여 측정된 인압력을 사용하여 상기 인쇄롤 이송부(112)의 제2방향 인압력을 피드백 제어하게 된다.

상기 인압력 측정부(122)는 로드셀일 수 있는데, 이 경우 도 4의 개략적 측면도에 잘 나타나 있는 바와 같이, 상기 백업롤 지지부(121)가 제3방향(즉 수직 방향)으로 연장되는 수직부(121a) 및 제2방향(즉 수평 방향)으로 연장되는 수평부(121b)로 이루어지고, 상기 수직부(121a)가 상기 베이스(140) 상에 고정 구비되며, 상기 수평부(121b)의 일측 끝단에 상기 백업롤(120)의 회전축이 연결되도록 이루어지되, 상기 인압력 측정부(122)는 상기 수직부(121a) 및 상기 수평부(121b)가 연결되는 위치에 구비되도록, 즉 상기 수직부(121a) 및 상기 수평부(121b) 사이에 개재 구비되도록 할 수 있다.

상기 롤 인쇄기(100)가 상술한 바와 같이 이루어지는 구성을 통하여, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 병렬 배치 방향, 상기 인쇄롤(110)의 이동 방향 및 인압력이 가해지는 방향, 상기 인압력 측정부(122)가 인압력을 감지하고 측정하는 방향이 모두 제2방향으로 동일하게 이루어진다. 즉 이에 따라 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 간의 인압력 전달이 롤 중심에 가해지게 되고, 또한 인압력 측정부(122) 또한 인압력 작용선 상에 존재하게 됨으로써, 인압력 제어를 위한 측정값의 획득이나 이를 이용한 이동 거리 또는 인압력의 필요 인가량 계산이 단순화될 수 있으며, 즉 인압 제어를 훨씬 용이하고 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기의 제어 실험 결과를 도시하고 있다.

도 7(A)는 인압 피드백 제어를 전혀 하지 않은 경우로서, 측정되는 인압력이 엄청나게 큰 폭으로 변화하고 있음이 나타난다. 도 7(B)는 기존의 방식, 즉 서보 모터 한 가지만으로 인압력의 인가 및 외부 요인에 의한 인압력 변화에 대한 대처가 이루어지도록 하여 인압 제어를 한 결과인데, 물론 도 7(A)에 비해서는 측정되는 인압력의 변화 폭이 줄어들었음을 알 수 있으나 여전히 그 변화 폭이 무시할 수 없는 수준으로 상당하게 나타남을 알 수 있다.

도 7(C)는 바로 본 발명에 의한, 메인 인압부로 인압력을 인가하고 서브 인압부로 외부 여인에 의한 인압력 변화에 대한 대처가 이루어지도록 하여 인압 제어를 한 결과이다. 도 7(C)에 도시된 바와 같이, 측정되는 인압력이 거의 상수에 가깝게 나타나는 것으로부터, 도 7(A) 또는 도 7(B)의 결과에 비교하여 비약적으로 향상된 인압 제어 결과를 보여 주고 있음을 직관적으로 명확히 알 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 롤 인쇄기
110: 인쇄롤
111: 인쇄롤 지지부 112: 인쇄롤 이송부
120: 백업롤
121: 백업롤 지지부 121a: 수직부
121b: 수평부 122: 인압력 측정부
130: 이중 인압 제어 장치
131: 메인 인압부 132: 서브 인압부
133: 댐퍼 140: 베이스
200: 웹

Claims (8)

1. 수평면 형태의 베이스(150) 상에 구비되는 이동가능한 인쇄롤(110) 및 고정구비된 백업롤(120)을 포함하여 이루어지며, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 사이에 웹(200)이 개재되어, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 회전에 의하여 상기 웹(200)이 이송되되, 상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120) 간의 인압력에 의하여 상기 웹(200)에 인쇄가 이루어지도록 형성되는 롤 인쇄기(100)에 있어서,
   상기 인쇄롤(110) 및 상기 백업롤(120)의 회전축 방향을 제1방향, 제1방향과 수직한 방향을 제2방향이라 하고, 제1방향 및 제2방향은 수평면을 형성하며, 제3방향은 상기 수평면에 대한 수직 방향이라 할 때,
   상기 롤 인쇄기(100)는 상기 인쇄롤(110)이 제2방향을 따라 이동하여 상기 웹(200) 및 상기 백업롤(120)을 제2방향을 따라 인압하도록 이루어지며,
   상기 인쇄롤(110)의 제2방향 인압력을 피드백 제어하되, 메인 인압부(131) 및 서브 인압부(132)가 병렬 배치되어 이루어지는 이중 인압 제어 장치(130); 를 포함하여 이루어지되,
   상기 메인 인압부(131)의 인압력은 상대적으로 상기 서브 인압부(132)의 인압력보다 크며, 상기 서브 인압부(132)의 응답속도는 상대적으로 상기 메인 인압부(131)의 응답속도보다 빠르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는
   상기 메인 인압부(131)의 인압력 범위가 상기 서브 인압부(132)의 인압력 범위에 비해 10 ~ 100배 범위로 이루어지고,
   상기 서브 인압부(132)의 응답속도 범위가 기계적 시정수 0.01 ~ 0.001초에 해당하는 범위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는
   상기 메인 인압부(131)에 의해 상기 인쇄롤(110)이 상기 백업롤(120)을 인압하는 기준 압력이 인가되고,
   상기 서브 인압부(132)에 의해 외란에 대한 동적 댐핑이 이루어져 상기 인쇄롤(110)의 인압력이 일정하게 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 롤 인쇄기(100)는
   상기 베이스(150) 상의 제2방향 일측에 고정 구비되는 인쇄롤 지지부(111);
   상기 인쇄롤(110)의 회전축과 연결되며, 상기 베이스(150) 상에서 제2방향을 따라 선형 이동 가능하도록 형성되는 인쇄롤 이송부(112);
   상기 베이스(150) 상의 제2방향 타측에 고정 구비되며, 상기 백업롤(120)의 회전축과 연결되는 백업롤 지지부(121);
   상기 백업롤 지지부(121) 상에 구비되어, 제2방향을 따라 상기 인쇄롤(110)의 상기 백업롤(120)에 대한 인압력을 측정하는 인압력 측정부(122);
   를 더 포함하여 이루어지며,
   상기 이중 인압 제어 장치(130)는
   상기 인쇄롤 지지부(111) 및 상기 인쇄롤 이송부(112) 사이에 구비되며, 상기 인압력 측정부(122)에 의하여 측정된 인압력을 사용하여 상기 인쇄롤 이송부(112)의 제2방향 인압력을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는
   상기 메인 인압부(131)가 서보 모터, 공압 실린더, 유압 실린더 중 선택되는 적어도 어느 하나의 선형 구동 장치로 이루어지며,
   상기 서브 인압부(132)가 보이스 코일 모터, 리니어 모터, 솔레노이드, 피에조 액츄에이터 중 선택되는 적어도 어느 하나의 선형 구동 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
6. 제 4항에 있어서, 상기 이중 인압 제어 장치(130)는
   상기 메인 인압부(131) 및 상기 인쇄롤 이송부(112) 사이에 배치되어, 상기 메인 인압부(131)와 직렬로 연결되는 댐퍼(133)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
7. 제 4항에 있어서, 상기 인압력 측정부(122)는
   로드셀인 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 롤 인쇄기(100)는
   상기 백업롤 지지부(121)가 제3방향으로 연장되며 상기 베이스(150) 상에 고정 구비되는 수직부(121a) 및 제2방향으로 연장되며 일측 끝단에 상기 백업롤(120)의 회전축이 연결되는 수평부(121b)를 포함하여 이루어지며,
   상기 인압력 측정부(122)는 상기 수직부(121a) 및 상기 수평부(121b) 사이에 개재 구비되는 것을 특징으로 하는 이중 인압 제어 장치를 이용한 롤 인쇄기.

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